Rückblickend wurde klar, dass die Das Licht der Galaxie namens J1120+0641 brauchte fast genauso lange, um die Erde zu erreichen wie sich das Universum bis heute entwickelt hat. Es ist unerklärlich, wie das Schwarze Loch in seinem Zentrum dann mehr als eine Milliarde Sonnenmassen wiegen könnte, wie unabhängige Messungen belegen
Jüngste Beobachtungen des Materials in der Nähe des Schwarzen Lochs hätten einen besonders effizienten Zufuhrmechanismus offenbaren sollen, fanden aber nichts Besonderes. Dieses Ergebnis ist noch außergewöhnlicher: Es könnte das bedeuten Astrophysiker wissen weniger über die Entwicklung von Galaxien, als sie dachten. Und doch enttäuschen sie keineswegs.
Diese Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturastronomie.
Die ersten Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte stellen eine Herausforderung dar: der erste Bekannte Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien haben überraschend große Massen. Wie konnten sie so schnell so massiv werden? Die hier beschriebenen neuen Beobachtungen liefern starke Beweise gegen einige vorgeschlagene Erklärungen, insbesondere gegen einen „ultraeffizienten Fütterungsmodus“ für frühe Schwarze Löcher.
Die Grenzen des Wachstums eines supermassereichen Schwarzen Lochs
Die Sterne und Galaxien haben sich verändert stark im letzten 13,8 Milliarden Jahre dauert das Leben des Universums. Galaxien sind gewachsen und haben mehr Masse gewonnen, entweder indem sie umgebendes Gas verbraucht haben oder (gelegentlich) miteinander verschmolzen sind. Für eine lange Zeit, Astronomen stellten die Hypothese auf, dass supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien allmählich zusammen mit den Galaxien selbst gewachsen wären..
Aber Das Wachstum von Schwarzen Löchern kann nicht beliebig schnell sein. Materie, die auf ein Schwarzes Loch fällt, bildet ein „Akkretionsscheibe„Hell, heiß und rotierend. Wenn dies um ein supermassereiches Schwarzes Loch herum geschieht, entsteht ein aktiver galaktischer Kern.“ Die hellsten Objekte, sogenannte Quasaregehören 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.
Wie wurden Schwarze Löcher so massiv und so schnell?
Deshalb waren Astronomen überrascht, als in den letzten zwanzig Jahren Beobachtungen entfernter Quasare brachten sehr junge Schwarze Löcher zum Vorschein was allerdings erreicht war Massen bis zu 10 Milliarden Sonnenmassen . Licht braucht Zeit, um von einem entfernten Objekt zu uns zu gelangen. Wenn man also entfernte Objekte betrachtet, blickt man in die ferne Vergangenheit. Wir sehen die am weitesten entfernten bekannten Quasare, wie sie in einer Ära waren, die als „kosmische Morgendämmerung“, weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, als sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten.
Die Erklärung dieser ersten massiven Schwarzen Löcher ist eine Herausforderung beträchtlich für aktuelle Modelle der Galaxienentwicklung. 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? Derzeit werden zahlreiche Erklärungen vorgeschlagen, aber keine wird allgemein akzeptiert.
Ein genauerer Blick auf das frühe Wachstum von Schwarzen Löchern
Um zu entscheiden, welche Erklärung (falls vorhanden) richtig ist, ist ein vollständigeres Bild der Quasare erforderlich, als bisher verfügbar war. Mit der Ankunft von JWST-Weltraumteleskop, insbesondere dem MIRI-Instrument im mittleren Infrarotbereich des Teleskops, machten die Möglichkeiten der Astronomen, entfernte Quasare zu untersuchen, einen gewaltigen Sprung. Um Spektren entfernter Quasare zu messen, MIRI ist 4.000-mal empfindlicher als jedes vorherige Instrument.
Instrumente wie MIRI werden von internationalen Konsortien gebaut, in denen Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker eng zusammenarbeiten. Natürlich ist ein Konsortium sehr daran interessiert, ob sein Instrument so gut funktioniert wie geplant.
Als Gegenleistung für den Bau des Instruments erhalten Konsortien in der Regel eine gewisse Beobachtungszeit. Im Jahr 2019, Jahre vor dem Start des JWST, wurde das Das europäische MIRI-Konsortium beschloss, einen Teil dieser Zeit zur Beobachtung des damals am weitesten entfernten bekannten Quasars zu nutzen.ein Objekt mit der Bezeichnung J1120+0641.
Beobachtung eines der ersten Schwarzen Löcher
Die Analyse der Beobachtungen oblag Dr. Sarah Bosman, Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und Mitglied des europäischen MIRI-Konsortiums. Zu den Beiträgen des MPIA zum MIRI-Instrument gehört die Konstruktion einer Reihe wichtiger interner Teile. Bosman wurde gebeten, sich der MIRI-Zusammenarbeit anzuschließen, insbesondere um Fachwissen darüber bereitzustellen, wie das Instrument am besten zur Untersuchung des frühen Universums, insbesondere der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher, eingesetzt werden kann.
Die Beobachtungen wurden im Januar 2023 durchgeführt, während des ersten Zyklus der JWST-Beobachtungen, und dauerte etwa zweieinhalb Stunden. Sie konstituieren die erste Untersuchung eines Quasars im mittleren Infrarot in der kosmischen Morgendämmerung, nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall (Rotverschiebung z=7). Die Informationen stammen nicht aus einem Bild, sondern aus einem Spektrum: der regenbogenförmigen Zerlegung des Lichts des Objekts in Komponenten unterschiedlicher Wellenlänge.
Verfolgung von sich schnell bewegendem Staub und Gas
Die allgemeine Form des mittleren Infrarotspektrums („Kontinuum“) kodiert die Eigenschaften eines großen Staubtorus, der 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 ist einer, den kein Modell des schnellen frühen Wachstums von Quasaren vorhergesagt hat: eine etwas höhere Staubtemperatur, etwa hundert Kelvin wärmer als die 1.300 K, die für den heißesten Staub in weniger entfernten Quasaren gefunden wurden.
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. Auch Argumente, dass wir die Massen der ersten Schwarzen Löcher aufgrund des zusätzlichen Staubs möglicherweise einfach überschätzen, sind keine Lösung.
Die ersten Quasare seien „überraschend normal“
Auch die Breitlinienregion des Quasars, in der 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 normal. Bei fast allen Eigenschaften, die aus dem Spektrum abgeleitet werden können, J1120+0641 unterscheidet sich nicht von Quasaren späterer Zeit.
“Insgesamt tragen die neuen Beobachtungen nur dazu bei, das Rätsel zu lösen: Die ersten Quasare waren überraschend normal. Unabhängig davon, bei welchen Wellenlängen wir sie beobachten, sind Quasare 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 das Universum gerade einmal 5 % seines heutigen Alters hatte.
Durch den Ausschluss einer Reihe alternativer Lösungen stützen die Ergebnisse diese Idee nachdrücklich Supermassive Schwarze Löcher hatten von Anfang an beträchtliche Massen, im Fachjargon der Astronomie: Sie sind „ursprünglich“ oder „große Samen“.. Supermassereiche Schwarze Löcher entstanden nicht aus den Überresten der ersten Sterne und wurden dann sehr schnell massereich. Sie müssen sich früh mit Anfangsmassen von mindestens hunderttausend Sonnenmassen gebildet haben, vermutlich durch den Zusammenbruch riesiger früher Gaswolken.
Referenz
Sarah E. I. Bosman et al. Ein reifer Quasar im kosmischen Morgengrauen, entdeckt durch JWST-Rest-Frame-Infrarotspektroskopie, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0
Dieser Eintrag wurde am 29. Juni 2024 von Francisco Martín León in den News veröffentlicht
