Schwarze Löcher und Quasare entstanden weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall

Supermassive Schwarze Löcher scheinen im Zentrum jeder Galaxie zu existieren und stammen aus einigen der ersten Galaxien im Universum. Wir haben keine Ahnung, wie sie dorthin gelangt sind. Es sollte nicht möglich sein, dass sie so schnell von Supernova-Überresten zu enormen Größen heranwachsen, wie sie es tun. Uns ist kein anderer Mechanismus bekannt, der etwas Großes bilden könnte, sodass kein exponentielles Wachstum erforderlich wäre.

Die scheinbare Unmöglichkeit supermassereicher Schwarzer Löcher im frühen Universum war tatsächlich ein kleines Problem; Das James-Webb-Weltraumteleskop hat die Sache noch schlimmer gemacht, indem es frühere Beispiele von Galaxien mit supermassiven Schwarzen Löchern gefunden hat. Im neuesten Beispiel verwendeten Forscher Webb, um einen Quasar zu charakterisieren, der von einem supermassiven Schwarzen Loch angetrieben wird, wie er etwa 750 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. Und es sieht erschreckend normal aus.

Ein Blick zurück in die Zeit

Quasare sind die hellsten Objekte im Universum und werden aktiv von supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben. Die sie umgebende Galaxie versorgt sie mit genügend Material, um helle Akkretionsscheiben und leistungsstarke Jets zu bilden, die beide reichlich Strahlung aussenden. Sie sind oft teilweise von Staub bedeckt, der leuchtet, weil er einen Teil der vom Schwarzen Loch emittierten Energie absorbiert. Diese Quasare emittieren so viel Strahlung, dass sie schließlich nahegelegenes Material vollständig aus der Galaxie verdrängen.

Das Vorhandensein dieser Merkmale im frühen Universum würde uns also sagen, dass supermassereiche Schwarze Löcher nicht nur im frühen Universum existierten, sondern auch in jüngerer Zeit in Galaxien eingebaut wurden. Aber ihr Studium war sehr schwierig. Zunächst einmal haben wir nicht viele davon identifiziert; Es gibt nur neun Quasare, die aus der Zeit stammen, als das Universum 800 Millionen Jahre alt war. Aufgrund dieser Entfernung sind Merkmale schwer zu erkennen, und die durch die Expansion des Universums verursachte Rotverschiebung nimmt die intensive ultraviolette Strahlung vieler Elemente auf und weitet sie in den tiefen Infrarotbereich aus.

Das Webb-Teleskop wurde jedoch aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber den Infrarotwellenlängen, in denen diese Strahlung auftritt, speziell für die Erkennung von Objekten im frühen Universum entwickelt. Die neue Forschung basiert also darauf, Webb auf den ersten der neun entdeckten Quasare hinzuweisen, J1120+0641.

Und es sieht… bemerkenswert normal aus. Oder zumindest sehr ähnlich zu Quasaren aus jüngeren Perioden der Geschichte des Universums.

Größtenteils normal

Die Forscher analysierten die Kontinuität der Strahlung des Quasars und fanden klare Hinweise darauf, dass er in einer Masse aus heißem, staubigem Material eingebettet war, wie es bei späteren Quasaren der Fall war. Dieser Staub ist etwas heißer als einige moderne Quasare, aber dies scheint ein gemeinsames Merkmal dieser Objekte in den frühen Stadien der Geschichte des Universums zu sein. Auch Strahlung der Akkretionsscheibe erscheint im Emissionsspektrum.

Verschiedene Methoden zur Schätzung der Massenproduktion eines Schwarzen Lochs im Bereich von 10⁹ Vielfache der Masse der Sonne, was sie eindeutig in die Region des supermassereichen Schwarzen Lochs bringt. Außerdem gibt es anhand einer leichten Blauverschiebung einiger Strahlung Hinweise darauf, dass der Quasar Material mit einer Geschwindigkeit von etwa 350 Kilometern pro Sekunde wegbläst.

Es gibt ein paar Kuriositäten. Erstens scheint das Material auch mit etwa 300 Kilometern pro Sekunde nach innen zu fallen. Dies könnte durch von uns wegrotierendes Material in der Akkretionsscheibe verursacht werden. Wenn dies jedoch der Fall ist, muss dieser von Material getroffen werden, das auf der anderen Seite der Scheibe auf uns zurotiert. Dies wurde schon mehrfach bei sehr frühen Quasaren beobachtet, aber die Forscher räumen ein, dass „der physikalische Ursprung dieses Effekts unbekannt ist“.

Eine Möglichkeit, die sie als Erklärung vorschlagen, ist, dass sich der gesamte Quasar bewegt und durch eine frühere Verschmelzung mit einem anderen supermassereichen Schwarzen Loch aus seiner Position im galaktischen Zentrum gerissen wird.

Eine weitere seltsame Sache ist, dass es auch einen extrem schnellen Fluss von hochionisiertem Kohlenstoff gibt, der sich doppelt so schnell bewegt wie in späteren Quasaren. Wir haben das schon einmal gesehen, aber es gibt auch keine Erklärung dafür.

Wie ist das passiert?

Trotz der Kuriositäten ähnelt dieses Objekt stark den jüngsten Quasaren: „Unsere Beobachtungen zeigen, dass die komplexen Strukturen des staubigen Torus und des Sterns.“ [accretion disk] Kann sich um ein herum bewähren [supermassive black hole] „Weniger als 760 Millionen nach dem Urknall.“

Auch dies ist ein kleines Problem, da es auf die Anwesenheit eines supermassereichen Schwarzen Lochs in seiner Muttergalaxie zu einem sehr frühen Zeitpunkt in der Geschichte des Universums schließen lässt. Um die hier gezeigte Größe zu erreichen, stoßen Schwarze Löcher an die sogenannte Eddington-Grenze. Dabei handelt es sich um die Menge an Material, die sie ansaugen können, bevor die entstehende Strahlung in der Nähe befindliches Material ausstößt und so die Nahrungsversorgung des Schwarzen Lochs erstickt.

Dies legt zwei Optionen nahe. Das erste ist, dass diese Objekte während des größten Teils ihrer Geschichte Material absorbierten, das weit über die Eddington-Grenze hinausging, was wir nicht beobachtet haben und schon gar nicht auf diesen Quasar zutrifft. Die andere Möglichkeit wäre, dass sie groß angefangen haben (bei etwa 10⁴ mal die Masse der Sonne) und ernährte sich weiterhin mit einer vernünftigeren Geschwindigkeit. Aber wir wissen nicht wirklich, wie so etwas Großes entstehen konnte.

Daher bleibt das frühe Universum ein etwas verwirrender Ort.

Natürliche Astronomie, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Über digitale IDs).