Die bisher am weitesten entfernte Verschmelzung zweier massereicher Schwarze Löcher

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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.

Das Bild zeigt das Gala­xi­en­sys­tem ZS7 in einem gro­ßen Feld mit Hun­der­ten von Gala­xien im Vor­der- und Hin­ter­grund – Cre­dit: ESA/Webb, NASA, CSA, J. Dun­lop, D. Magee, P. G. Pérez-Gon­zá­lez, H. Übler, R. Mai­o­li­no, et. al

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.

Das Bild zeigt die genaue Lage des Gala­xi­en­sys­tems ZS7 mit den zwei ver­schmel­zen­den Schwar­zen Löchern – Cre­dit: ESA/Webb, NASA, CSA, J. Dun­lop, D. Magee, P. G. Pérez-Gon­zá­lez, H. Übler, R. Mai­o­li­no, et. al

„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

Link zur Pres­se­mit­tei­lung: ESA/Hubble/Webb weic2413

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Andreas

Andreas Schnabel war bis zum Ende der Astronomie-Zeitschrift "Abenteuer Astronomie" im Jahr 2018 als Kolumnist tätig und schrieb dort über die aktuell sichtbaren Kometen. Er ist Mitglied der "Vereinigung für Sternfreunde e.V.". Neben Astronomie, betreibt der Autor des Blogs auch Fotografie und zeigt diese Bilder u.a. auf Flickr.

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