Mit Hilfe des Gemini North-Teleskops hat ein Team von Astronomen ein Paar verschmelzender Quasare entdeckt, die vor nur 900 Millionen Jahren nach dem Urknall beobachtet wurden.
Dies ist nicht nur das am weitesten entfernte Paar verschmelzender Quasare, das jemals gefunden wurde, sondern auch das erste bestätigte Paar in der Zeitspanne der Geschichte des Universums, die als „Cosmic Dawn“ bekannt ist.
Die kosmische Morgendämmerung erstreckte sich von etwa 50 Millionen Jahren bis zu einer Milliarde Jahre nach dem Urknall. In dieser Zeit tauchten die ersten Sterne und Galaxien auf und erfüllte das dunkle Universum zum ersten Mal mit Licht. Mit der Ankunft der ersten Sterne und Galaxien begann eine neue Ära in der Entstehung des Kosmos, die als Epoche der Reionisierung bekannt ist.
Die Epoche der Reionisierung, die innerhalb der kosmischen Morgendämmerung stattfand, war eine Zeit des kosmologischen Übergangs. Ungefähr 400 Millionen Jahre nach dem Urknall breitet sich ultraviolettes Licht der ersten Sterne, Galaxien und Quasare im gesamten Kosmos aus, interagiert mit dem intergalaktischen Medium und entzieht den ursprünglichen Wasserstoffatomen des Universums in einem bekannten Prozess wie der Ionisierung ihre Elektronen. Die Epoche der Reionisierung war eine kritische Epoche in der Geschichte des Universums, die das Ende des kosmischen dunklen Zeitalters markierte und den Grundstein für die großen Strukturen legte, die wir heute in unserem lokalen Universum beobachten.
Um die genaue Rolle der Quasare während der Reionisierungsepoche zu verstehen, sind Astronomen daran interessiert, die Quasare zu finden und zu untersuchen, die diese frühe, ferne Ära bevölkerten. „Die statistischen Eigenschaften von Quasaren in der Epoche der Reionisierung sagen uns viele Dinge, wie zum Beispiel den Fortschritt und Ursprung der Reionisierung, die Bildung supermassereicher Schwarzer Löcher während der kosmischen Morgendämmerung und die früheste Entwicklung der Quasar-Wirtsgalaxien“, betont Yoshiki Matsuok , Astronom an der Ehime-Universität in Japan und Hauptautor des Artikels, der diese Ergebnisse beschreibt und in „Astrophysical Journal Letters“ veröffentlicht wurde.
In der Reionisierungsepoche wurden etwa 300 Quasare entdeckt, aber keiner von ihnen wurde paarweise gefunden. Bis Matsuoka und sein Team die mit der Hyper Suprime-Cam am Subaru-Teleskop aufgenommenen Bilder überprüften und ein schwacher roter Fleck ihre Aufmerksamkeit erregte. „Bei der Untersuchung von Bildern von Quasarkandidaten fielen mir zwei ähnliche, extrem rote Quellen nebeneinander auf“, sagt Matsuoka. „Die Entdeckung war reiner Zufall.“
Das Team war sich nicht sicher, ob es sich um ein Quasarpaar handelte, da entfernte Quasarkandidaten durch viele andere Quellen verunreinigt werden, etwa durch Sterne und Galaxien im Vordergrund und durch die Auswirkungen von Gravitationslinsen. Um die Natur dieser Objekte zu bestätigen, führte das Team eine Folgespektroskopie mit der Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) am Subaru-Teleskop und dem Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) am Gemini North durch. Mit GNIRS gewonnene Spektren, die das von einer Quelle emittierte Licht in seine einzelnen Wellenlängen zerlegen, waren entscheidend für die Charakterisierung der Natur des Quasarpaars und seiner Wirtsgalaxien.
„Aus den GNIRS-Beobachtungen haben wir gelernt, dass Quasare zu schwach sind, um sie im nahen Infrarot zu erkennen, selbst mit einem der größten bodengestützten Teleskope“, bemerkt Matsuoka.
Dadurch konnte das Team abschätzen, dass ein Teil des im optischen Wellenlängenbereich detektierten Lichts nicht von den Quasaren selbst stammt, sondern von der laufenden Sternentstehung in ihren Wirtsgalaxien. Das Team entdeckte außerdem, dass die beiden Schwarzen Löcher riesig sind und jeweils das 100-Millionen-fache der Masse der Sonne haben. Dies und das Vorhandensein einer Gasbrücke zwischen den beiden Quasaren lassen darauf schließen, dass sie und ihre Wirtsgalaxien einen großen Prozess durchlaufen groß angelegte Fusion.
„Die Existenz verschmelzender Quasare in der Reionisierungsepoche wurde schon lange erwartet. Jetzt wurde sie erstmals bestätigt“, sagt Matsuoka.
Die Epoche der Reionisierung verbindet die früheste Bildung der kosmischen Struktur mit dem komplexen Universum, das wir Milliarden Jahre später beobachten. Durch die Untersuchung entfernter Objekte aus dieser Zeit gewinnen Astronomen wertvolle Informationen über den Reionisierungsprozess und die Entstehung der ersten Objekte im Universum. Weitere Entdeckungen wie diese könnten mit der jahrzehntelangen Legacy Survey of Space and Time (LSST) des NSF-DOE Vera C. Rubin Observatory in Sicht sein, die ab 2025 Millionen von Quasaren mithilfe ihrer Tiefenbildgebungsfähigkeiten entdecken soll.
