Ein internationales Team von Astrophysikern hat das genutzt James Webb-Weltraumteleskop (JWST) eines davon studieren die massereichsten und am weitesten entfernten Schwarzen Löcherin einer Entfernung von 13 Milliarden Lichtjahren, als die Das Universum war etwa 800 Millionen Jahre alt. Überraschenderweise ernährt sich das Schwarze Loch auf die gleiche Weise wie aktuelle Schwarze Löcher in unserer nahen kosmischen Umgebung.
Astrophysiker haben versucht zu erklären, wie diese Schwarzen Löcher zu Beginn des Universums ihre außergewöhnliche Masse erreichen. Die neuen Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Naturastronomieschließen die Existenz exotischer Mechanismen aus, die als mögliche Lösung vorgeschlagen werden.
Studie schließt exotische Mechanismen zur Erklärung aus, wie supermassive Schwarze Löcher früh im Universum ihre außergewöhnliche Masse erlangten
Die ersten Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte stellen eine Herausforderung dar: Die ersten bekannten Schwarzen Löcher in den Zentren von Galaxien haben überraschend große Massen. Wie sind sie so massiv und so schnell geworden? Diese neuen Beobachtungen liefern starke Beweise gegen einige vorgeschlagene Erklärungen, insbesondere gegen einen äußerst effektiven Fütterungsmodus zur Erhöhung der Masse der ersten massereichen Schwarzen Löcher.
Sterne und Galaxien haben sich in den letzten 13,8 Milliarden Jahren, dem Leben des Universums, enorm verändert. Galaxien sind gewachsen und haben mehr Masse gewonnen, entweder indem sie umgebendes Gas verbraucht haben oder (gelegentlich) miteinander verschmolzen sind. Astronomen gehen seit langem davon aus, dass supermassereiche Schwarze Löcher in galaktischen Zentren nach und nach zusammen mit den Galaxien selbst gewachsen wären.
Schwarzes Loch, AGN und Quasar
Aber das Wachstum von Schwarzen Löchern kann nicht beliebig schnell sein. Die Materie, die auf sie fällt, bildet eine helle, heiße, rotierende „Akkretionsscheibe“. Wenn dies um a geschieht supermassives Schwarzes Lochdas Ergebnis ist a aktiver galaktischer Kern (AGNfür sein Akronym auf Englisch), aus dem durch die Ansammlung dieses Gases und Staubs im zentralen Loch große Energiemengen freigesetzt werden.
Das leuchtendste AGN, bekannt als Quasare (starke Strahlungsquellen) gehören zu den hellsten astronomischen Objekten im gesamten Kosmos. Diese Helligkeit begrenzt jedoch die Menge an Materie, die auf das Schwarze Loch fallen kann: Das Licht übt einen Druck aus, der verhindern kann, dass zusätzliche Materie fällt.
Deshalb waren Astronomen überrascht, als in den letzten zwanzig Jahren Beobachtungen entfernter Quasare sehr junge Schwarze Löcher entdeckten, die dennoch Massen von bis zu 10 Milliarden Sonnenmassen erreicht hatten. Licht braucht Zeit, um von einem entfernten Objekt zu uns zu gelangen. Wenn man also entfernte Objekte betrachtet, blickt man in die ferne Vergangenheit.
Kosmische Dawn-Quasare
Wir sehen die am weitesten entfernten bekannten Quasare, wie sie in einer Ära waren, die als „kosmische Morgendämmerung“ bekannt ist. weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, als die ersten Sterne und Galaxien entstanden. Die Erklärung dieser frühen massereichen Schwarzen Löcher stellt eine erhebliche Herausforderung für aktuelle Modelle der Galaxienentwicklung dar.
Könnte es sein, dass frühe Schwarze Löcher viel effizienter Gas ansammelten als ihre modernen Gegenstücke? Oder könnte das Vorhandensein von Staub die Massenschätzungen von Quasaren so beeinflussen, dass Forscher die Massen früher Schwarzer Löcher überschätzten? Es gibt zahlreiche Erklärungsvorschläge Derzeit sind jedoch keine allgemein akzeptiert.
Um zu entscheiden, welche Erklärung richtig ist, ist eine umfassendere Untersuchung der Quasare erforderlich, als bisher verfügbar war. Mit der Ankunft des JWST-Weltraumteleskops, insbesondere des MIRI-Instruments im mittleren Infrarotbereich, machten die Möglichkeiten der Astronomen, entfernte Quasare zu untersuchen, einen gewaltigen Sprung.
Er MIRI-Instrument Es wurde von einem internationalen Konsortium unter Beteiligung von Wissenschaftlern und Ingenieuren des Higher Council for Scientific Research (CSIC) und des National Institute of Aerospace Technology (INTA) gebaut. Als Gegenleistung für den Bau des Instruments erhielt das Konsortium eine gewisse Beobachtungszeit. Im Jahr 2019, Jahre vor Webbs Start, beschloss das europäische MIRI-Konsortium, einen Teil dieser Zeit zu nutzen, um den damals am weitesten entfernten bekannten Quasar zu beobachten, ein Objekt mit der Bezeichnung J1120+0641.
Die Studie wurde mit Webbs MIRI-Instrument im mittleren Infrarotbereich durchgeführt und konzentrierte sich auf den Quasar J1120+0641, nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall.
Die Rotverschiebung (z) einer Lichtquelle hilft Astronomen, auf deren Entfernung und Alter zu schließen. „Bisher gibt es neun bestätigte Quasare mit Rotverschiebungen von mehr als 7, und J1120 war der erste, der oben entdeckt wurde (z=7,08), aber derzeit gibt es drei, die weiter entfernt sind, mit Verschiebungen zwischen 7,51 und 7,62 ( etwa 700 Millionen Jahre nach Beginn des Urknalls), erklärt einer der Autoren, Luis Colinavom Astrobiology Center (CAB, CSIC-INTA).
Hügel und Alvarez Marquez, ebenfalls vom CAB, waren für den Entwurf der Quasar-Datenerfassung und deren anschließende Kalibrierung verantwortlich, wobei die instrumentellen Effekte korrigiert wurden. Die Analyse der Beobachtungen fiel auf Sarah BosmanPostdoktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in enger Zusammenarbeit mit spanischen Wissenschaftlern.
Spektrum bei verschiedenen Wellenlängen
Die Beobachtungen wurden im Januar 2023, während des ersten Zyklus der JWST-Beobachtungen, durchgeführt und dauerten etwa zweieinhalb Stunden. Sie stellen die erste Untersuchung eines Quasars im mittleren Infrarot in der kosmischen Morgendämmerung dar, nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall (Rotverschiebung z=7). Die Informationen stammen nicht von einem Bild, sondern von einem Spektrum: die regenbogenförmige Zerlegung des Lichts des Objekts in Komponenten unterschiedlicher Wellenlänge.
Ein „Bulle“, der sich nicht ändert
Die allgemeine Form des mittleren Infrarotspektrums (kontinuierlich) kodiert die Eigenschaften von a Großer Staubbulle das die Akkretionsscheibe in typischen Quasaren umgibt. Dieser Torus hilft dabei, Materie zur Akkretionsscheibe zu leiten und so das Schwarze Loch zu „füttern“. Die schlechte Nachricht für diejenigen, deren bevorzugte Lösung für die ersten massereichen Schwarzen Löcher in alternativen Arten schnellen Wachstums liegt: Der Torus und damit auch der Nahrungsmechanismus in diesem sehr frühen Quasar scheint derselbe zu sein wie der seiner moderneren Gegenstücke.
Der einzige Unterschied besteht darin, dass kein Modell des schnellen frühen Wachstums von Quasaren vorhergesagt wurde: a etwas höhere Pulvertemperatur, etwa hundert Kelvin wärmer als die 1.300 K, die für den heißesten Staub in weniger entfernten Quasaren gefunden werden. Der kürzerwellige Teil des Spektrums, der von Emissionen der Akkretionsscheibe selbst dominiert wird, zeigt, dass das Licht des Quasars für uns als entfernte Beobachter nicht durch mehr Staub als gewöhnlich gedimmt wird. Argumente, dass wir die Massen der ersten Schwarzen Löcher aufgrund des zusätzlichen Staubs möglicherweise überschätzen, sind ebenfalls keine Lösung.
Der Quasar-Breitlinienregion, bei dem Gasklumpen das Schwarze Loch mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit umkreisen und Rückschlüsse auf die Masse des Schwarzen Lochs sowie die Dichte und Ionisierung der umgebenden Materie zulassen, erscheint ebenfalls normal. In fast allen aus dem Spektrum ableitbaren Eigenschaften unterscheidet sich J1120+0641 nicht von Quasaren späterer Epochen.
In fast allen aus dem Spektrum ableitbaren Eigenschaften unterscheidet sich J1120+0641 nicht von Quasaren späterer Epochen
„Insgesamt tragen die neuen Beobachtungen nur dazu bei, das Rätsel zu lösen: das Frühe Quasare sind überraschend normal. Ganz gleich, bei welchen Wellenlängen wir sie beobachten, Quasare sind zu allen Zeiten im Universum nahezu identisch“, sagt Bosman. Nicht nur die supermassiven Schwarzen Löcher selbst, sondern auch ihre Ernährungsmechanismen waren offenbar bereits vollständig „ausgereift“, als der Kosmos gerade einmal 5 % seines heutigen Alters hatte.
Ursprüngliche supermassereiche Schwarze Löcher
Indem sie eine Reihe alternativer Lösungen ausschließen, stützen die Ergebnisse nachdrücklich die Idee, dass supermassive Schwarze Löcher von Anfang an beträchtliche Massen hatten, im Fachjargon der Astronomie: dass sie es sind „ursprünglich“ oder „groß gesät“.
Supermassereiche Schwarze Löcher entstanden nicht aus den Überresten der ersten Sterne und wurden dann sehr schnell massereich. Studien wie diese zeigen, dass sie sich früh mit Anfangsmassen von mindestens hunderttausend Sonnenmassen gebildet haben, vermutlich durch den Zusammenbruch riesiger früher Gaswolken.
