Die bisher am weitesten entfernte Verschmelzung zweier massereicher Schwarze Löcher

Ein inter­na­tio­na­les Team von Astro­no­men hat mit dem James-Webb-Welt­raum­te­le­skop der NASA/ESA/CSA Bewei­se für eine lau­fen­de Ver­schmel­zung zwei­er Gala­xien und ihrer mas­se­rei­chen Schwar­zen Löcher gefun­den, als das Uni­ver­sum erst 740 Mil­lio­nen Jah­re alt war. Dies ist der am wei­tes­ten ent­fern­te Nach­weis einer Ver­schmel­zung von Schwar­zen Löchern, der jemals gemacht wur­de, und das ers­te Mal, dass die­ses Phä­no­men so früh im Uni­ver­sum ent­deckt wurde.

Astro­no­men haben in den meis­ten mas­se­rei­chen Gala­xien des loka­len Uni­ver­sums, dar­un­ter auch in unse­rer Milch­stra­ße, super­mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher mit Mas­sen von Mil­lio­nen bis Mil­li­ar­den Son­nen ent­deckt. Die­se Schwar­zen Löcher hat­ten wahr­schein­lich einen gro­ßen Ein­fluss auf die Ent­wick­lung der Gala­xien, in denen sie sich befin­den, gehabt. Wis­sen­schaft­ler ver­ste­hen jedoch immer noch nicht voll­stän­dig, wie die­se Objek­te so mas­se­reich gewor­den sind. Die Ent­de­ckung gigan­ti­scher Schwar­zer Löcher, die bereits in den ers­ten Mil­li­ar­den Jah­ren nach dem Urknall exis­tier­ten, deu­tet dar­auf hin, dass ein sol­ches Wachs­tum sehr schnell und sehr früh statt­ge­fun­den haben muss. Nun wirft das James-Webb-Welt­raum­te­le­skop ein neu­es Licht auf das Wachs­tum der schwar­zen Löcher im frü­hen Universum.

Die neu­en Beob­ach­tun­gen mit dem JWST haben Hin­wei­se auf eine anhal­ten­de Ver­schmel­zung zwei­er Gala­xien und ihrer mas­se­rei­chen Schwar­zen Löcher gelie­fert, als das Uni­ver­sum gera­de ein­mal 740 Mil­lio­nen Jah­re alt war. Das Sys­tem ist als ZS7 bekannt.

Mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher, die aktiv Mate­rie ansam­meln, wei­sen cha­rak­te­ris­ti­sche spek­tro­gra­fi­sche Merk­ma­le auf, die es Astro­no­men ermög­li­chen, sie zu iden­ti­fi­zie­ren. Bei sehr weit ent­fern­ten Gala­xien, wie denen in die­ser Stu­die, sind die­se Signa­tu­ren vom Boden aus nicht zugäng­lich und kön­nen nur mit Hil­fe des James-Webb-Welt­raum­te­le­skops gese­hen werden. 

„Wir fan­den Hin­wei­se auf sehr dich­tes Gas mit schnel­len Bewe­gun­gen in der Nähe des Schwar­zen Lochs sowie auf hei­ßes und stark ioni­sier­tes Gas, das von der ener­gie­rei­chen Strah­lung beleuch­tet wird, die Schwar­ze Löcher in ihren Akkre­ti­ons­pha­sen typi­scher­wei­se erzeu­gen“, erklär­te Haupt­au­to­rin der Stu­die Han­nah Übler von der Uni­ver­si­tät Cam­bridge im Ver­ei­nig­ten König­reich. „Dank der bei­spiel­lo­sen Schär­fe sei­ner Abbil­dungs­mög­lich­kei­ten konn­te unser Team mit Webb auch die bei­den Schwar­zen Löcher räum­lich von­ein­an­der tren­nen“.

Das Team fand her­aus, dass eines der bei­den Schwar­zen Löcher eine Mas­se hat, die 50 Mil­lio­nen Mal so groß ist wie die der Son­ne. „Die Mas­se des ande­ren Schwar­zen Lochs ist wahr­schein­lich ähn­lich, obwohl sie viel schwie­ri­ger zu mes­sen ist, da die­ses zwei­te Schwar­ze Loch von dich­tem Gas ver­deckt wird“, erklär­te Team­mit­glied Rober­to Mai­o­li­no von der Uni­ver­si­ty of Cam­bridge und dem Uni­ver­si­ty Col­lege Lon­don in Großbritannien.

„Unse­re Ergeb­nis­se deu­ten dar­auf hin, dass die Ver­schmel­zung ein wich­ti­ger Weg ist, auf dem Schwar­ze Löcher schnell wach­sen kön­nen, sogar in der kos­mi­schen Däm­me­rung“, erklär­te Übler. „Zusam­men mit ande­ren Webb-Fun­den über akti­ve, mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher im fer­nen Uni­ver­sum zei­gen unse­re Ergeb­nis­se auch, dass mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher von Anfang an die Ent­wick­lung von Gala­xien geprägt haben.“

„Die stel­la­re Mas­se des von uns unter­such­ten Sys­tems ähnelt der unse­res Nach­barn, der Gro­ßen Magel­lan­schen Wol­ke“, teil­te Team­mit­glied Pablo G. Pérez-Gon­zá­lez vom Cen­tro de Astro­bio­lo­gía (CAB), CSIC/INTA, in Spa­ni­en mit. „Wir kön­nen ver­su­chen, uns vor­zu­stel­len, wie die Ent­wick­lung ver­schmel­zen­der Gala­xien beein­flusst wer­den könn­te, wenn jede Gala­xie ein super­mas­se­rei­ches Schwar­zes Loch hät­te, das genau­so groß oder grö­ßer ist als das, was wir in der Milch­stra­ße haben.“ 

Das Team stellt außer­dem fest, dass die bei­den Schwar­zen Löcher, sobald sie ver­schmel­zen, auch Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len erzeu­gen [1] . Ereig­nis­se wie die­ses wer­den mit der nächs­ten Gene­ra­ti­on von Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len­ob­ser­va­to­ri­en nach­weis­bar sein, bei­spiels­wei­se mit der geplan­ten Laser Inter­fe­ro­me­ter Space Anten­na (LISA), die kürz­lich von der Euro­päi­schen Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on geneh­migt wur­de und das ers­te welt­raum­ge­stütz­te Obser­va­to­ri­um zur Unter­su­chung von Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len sein wird.

„Die Ergeb­nis­se von Webb zei­gen uns, dass mas­se­är­me­re Sys­te­me, die von LISA erkannt wer­den kön­nen, weit­aus häu­fi­ger vor­kom­men soll­ten als bis­her ange­nom­men“, teil­te die lei­ten­de LISA-Pro­jekt­wis­sen­schaft­le­rin Nora Luetz­gen­dorf von der Euro­päi­schen Welt­raum­or­ga­ni­sa­ti­on in den Nie­der­lan­den mit. „Es wird höchst­wahr­schein­lich dazu füh­ren, dass wir unse­re Model­le auf­grund der LISA-Daten in die­sem Mas­sen­be­reich anpas­sen müs­sen. Das ist nur die Spit­ze des Eisbergs.“

Die­se Ent­de­ckung beruht auf Beob­ach­tun­gen, die im Rah­men des Pro­gramms „Gala­xy Assem­bly with NIR­Spec Inte­gral Field Spec­tro­sco­py“ gemacht wur­den. Das Team erhielt kürz­lich den Zuschlag für ein neu­es gro­ßes Pro­gramm in Webbs Beob­ach­tungs­zy­klus 3, um die Bezie­hung zwi­schen mas­se­rei­chen Schwar­zen Löchern und ihren Mut­ter­ga­la­xien in den ers­ten Mil­li­ar­den Jah­ren im Detail zu unter­su­chen. Ein wich­ti­ger Bestand­teil die­ses Pro­gramms wird die sys­te­ma­ti­sche Suche nach Ver­schmel­zun­gen von Schwar­zen Löchern und deren Cha­rak­te­ri­sie­rung sein. Dabei soll die Ver­schmel­zungs­ra­te von Schwar­zen Löchern in frü­hen kos­mi­schen Epo­chen bestimmt und die Rol­le der Ver­schmel­zung für das frü­he Wachs­tum von Schwar­zen Löchern sowie die Rate, mit der Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len seit Anbe­ginn der Zeit erzeugt wer­den, bewer­tet werden.

Die­se Ergeb­nis­se wur­den in den Month­ly Noti­ces der Roy­al Astro­no­mic­al Socie­ty ver­öf­fent­licht.

ESA/Hubble/Webb Infor­ma­ti­on Centre

Anmerkungen

[1] Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len sind unsicht­ba­re Wel­len im Gefü­ge der Raum­zeit. Raum­zeit ist eine vier­di­men­sio­na­le Grö­ße, beschrie­ben durch Ein­steins All­ge­mei­ne Rela­ti­vi­täts­theo­rie, die den drei­di­men­sio­na­len Raum mit der Zeit ver­bin­det. Mas­se ver­zerrt die Raum­zeit, und die Schwer­kraft ist eigent­lich das Ergeb­nis der Krüm­mung der Raum­zeit durch die Mas­se eines Objekts. Wel­len durch die Raum­zeit wer­den durch die Bewe­gung jedes Objekts mit Mas­se erzeugt und wer­den als Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len bezeich­net. Gra­vi­ta­ti­ons­wel­len pas­sie­ren stän­dig unbe­merkt die Erde und wer­den durch eini­ge der hef­tigs­ten und ener­gie­reichs­ten Ereig­nis­se im Uni­ver­sum ver­ur­sacht. Dazu gehö­ren kol­li­die­ren­de Schwar­ze Löcher, kol­la­bie­ren­de Stern­ker­ne, ver­schmel­zen­de Neu­tro­nen­ster­ne oder Wei­ße Zwer­ge, das Wackeln von Neu­tro­nen­ster­nen, die kei­ne per­fek­ten Kugeln sind, und mög­li­cher­wei­se sogar die Über­res­te der Gra­vi­ta­ti­ons­strah­lung, die bei der Geburt des Uni­ver­sums ent­stan­den ist.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größ­te und leis­tungs­stärks­te Tele­skop, das jemals ins All geschos­sen wur­de. Im Rah­men einer inter­na­tio­na­len Koope­ra­ti­ons­ver­ein­ba­rung stell­te die ESA den Start­dienst des Tele­skops mit­hil­fe der Trä­ger­ra­ke­te Aria­ne 5 bereit. In Zusam­men­ar­beit mit Part­nern war die ESA für die Ent­wick­lung und Qua­li­fi­zie­rung von Aria­ne-5-Anpas­sun­gen für die Webb-Mis­si­on sowie für die Beschaf­fung des Start­diens­tes durch Aria­nespace ver­ant­wort­lich. Die ESA stell­te außer­dem den leis­tungs­star­ken Spek­tro­gra­phen NIR­Spec und 50 % des Mit­tel­in­fra­rot­in­stru­ments MIRI zur Ver­fü­gung, das von einem Kon­sor­ti­um natio­nal finan­zier­ter euro­päi­scher Insti­tu­te (dem MIRI Euro­pean Con­sor­ti­um) in Zusam­men­ar­beit mit dem JPL und der Uni­ver­si­ty of Ari­zo­na ent­wor­fen und gebaut wurde.

Webb ist eine inter­na­tio­na­le Part­ner­schaft zwi­schen NASA, ESA und der Cana­di­an Space Agen­cy (CSA).

Bild­quel­le: ESA/Webb, NASA, CSA, J. Dun­lop, D. Magee, PG Pérez-Gon­zá­lez, H. Übler, R. Mai­o­li­no, et. al

Links

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Link zur Pres­se­mit­tei­lung: ESA/Hubble/Webb weic2413