Schwarzes Loch im frühen Universum verschärft Problem der Galaxienentwicklung

Beob­ach­tun­gen eines der am wei­tes­ten ent­fern­ten Schwar­zen Löcher im frü­hen Uni­ver­sum mit dem Welt­raum­te­le­skop JWST zei­gen: Offen­bar wuch­sen Schwar­ze Löcher bereits weni­ger als eine Mil­li­ar­de Jah­re nach dem Urknall in ähn­li­cher Wei­se wie heu­te. Dass es bereits im frü­hen Uni­ver­sum über­ra­schend mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher gab, lässt sich daher nicht, wie von einer Rei­he von Astronom*innen erhofft, mit beson­ders effi­zi­en­ten „Füt­te­rungs­me­cha­nis­men“ Schwar­zer Löcher in der Früh­zeit unse­res Kos­mos erklä­ren. Die Ergeb­nis­se wur­den in der Zeit­schrift Natu­re Astro­no­my veröffentlicht.

Info zur Abbil­dung: Das schwar­ze Loch im Zen­trum ist von einer hel­len Akkre­ti­ons­schei­be umge­ben. Wei­ter außen befin­det sich der „Staub­to­rus“, eine unre­gel­mä­ßi­ge, grö­ße­re und deut­lich dicke­re Schei­be, die einem Beob­ach­ter von außen die Sicht auf die Akkre­ti­ons­schei­be ver­de­cken kann. Der Staub­to­rus emit­tiert vor­wie­gend Licht im mitt­le­ren Infra­rot­be­reich, und sei­ne Eigen­schaf­ten las­sen sich an der Gesamt­form (dem „Kon­ti­nu­um“) des Spek­trums able­sen. Die Magnet­fel­der der Akkre­ti­ons­schei­be erzeu­gen einen gebün­del­ten, hoch­en­er­ge­ti­schen Teil­chen­strahl, der aus der unmit­tel­ba­ren Umge­bung des Schwar­zen Lochs recht­wink­lig zur Schei­be abstrahlt. Ober­halb und unter­halb der Schei­be befin­den sich unre­gel­mä­ßi­ge Gas­wol­ken. Da ihre Form nicht bekannt ist, sind sie hier in sti­li­sier­ter Form als Kugeln dar­ge­stellt. Die Gas­wol­ken, die sich in der Nähe des Zen­trums befin­den, umkrei­sen das Schwar­ze Loch mit hoher Geschwin­dig­keit. Dies führt zu brei­ten Emis­si­ons­li­ni­en im Spek­trum des Qua­sars, und die­ser Bereich des Gases wird als „Broad-Line Regi­on“ (etwa „Regi­on, aus der die brei­ten [Spektral-]Linien stam­men“) bezeich­net. Die wei­ter ent­fern­ten Gas­wol­ken, die hier als etwas grö­ße­re Kugeln dar­ge­stellt sind, bewe­gen sich weni­ger schnell und erzeu­gen schma­le­re Emis­si­ons­li­ni­en; sie bil­den die so genann­te „Nar­row-Line Regi­on“ (also „Regi­on, aus der die schma­len [Spektral-]Linien stammen“).

Die ers­ten Mil­li­ar­den Jah­re der kos­mi­schen Geschich­te stel­len für die Astro­no­mie eine Her­aus­for­de­rung dar. Die frü­hes­ten bekann­ten Schwar­zen Löcher in den Zen­tren von Gala­xien besa­ßen bereits damals über­ra­schend gro­ße Mas­sen. Aber wie konn­ten sie so schnell so mas­se­reich wer­den? Jetzt ver­schär­fen neue Beob­ach­tun­gen das Pro­blem sogar noch: Sie lie­fern deut­li­che Bele­ge gegen meh­re­re Lösungs­vor­schlä­ge. Ins­be­son­de­re scheint es für die frü­hes­ten Schwar­zen Löcher kei­nen „ultra-effek­ti­ven Füt­te­rungs­mo­dus“ zu geben, der einen raschen Mas­se­zu­wachs erklä­ren könnte.

Grenzen des Wachstums supermassereicher Schwarzer Löcher

Ster­ne und Gala­xien haben sich in den letz­ten 13,8 Mil­li­ar­den Jah­ren, der bis­he­ri­gen Lebens­zeit unse­res Kos­mos, enorm ver­än­dert. Die Gala­xien sind grö­ßer gewor­den und haben an Mas­se gewon­nen, indem sie sich Gas aus ihrer Umge­bung ein­ver­leibt haben oder (gele­gent­lich) indem zwei Gala­xien mit­ein­an­der ver­schmol­zen sind. Lan­ge Zeit gin­gen die Astro­no­men davon aus, dass die super­mas­se­rei­chen schwar­zen Löcher in den Zen­tren der Gala­xien ähn­lich all­mäh­lich gewach­sen sind wie die Gala­xien selbst.

Schwar­ze Löcher kön­nen ganz all­ge­mein nicht belie­big schnell wach­sen. Mate­rie, die auf ein Schwar­zes Loch fällt, bil­det eine sich dre­hen­de, hei­ße, hel­le „Akkre­ti­ons­schei­be“ um das Schwar­ze Loch. Bei super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Löchern ent­steht auf die­se Wei­se ein akti­ver galak­ti­scher Kern. Die hells­ten akti­ven Ker­ne, die so genann­ten Qua­sa­re, gehö­ren zu den hells­ten astro­no­mi­schen Objek­ten über­haupt. Die Hel­lig­keit begrenzt aller­dings, wie viel Mate­rie dann noch auf das Schwar­ze Loch fal­len kann: Licht übt einen (Strahlungs-)Druck aus, der Mate­rie­ein­fall brem­sen oder sogar ver­hin­dern kann.

Wie wurden Schwarze Locher so rasch so massereich?

Des­halb waren die Astronom*innen über­rascht, als sie in den letz­ten zwan­zig Jah­ren bei der Beob­ach­tung ent­fern­ter Qua­sa­re sehr jun­ge Schwar­ze Löcher ent­deck­ten, die den­noch bereits Mas­sen bis zu 10 Mil­li­ar­den Son­nen­mas­sen besa­ßen. In der Astro­no­mie ist der Blick auf weit ent­fern­te Objek­te immer ein Blick in die fer­ne Ver­gan­gen­heit, schlicht weil das Licht jener Objek­te immer eine gewis­se Zeit benö­tigt, um uns zu errei­chen. Die am wei­tes­ten ent­fern­ten bekann­ten Qua­sa­re sehen wir so, wie sie in einer als „kos­mi­sche Däm­me­rung“ bezeich­ne­ten Ära waren, weni­ger als eine Mil­li­ar­de Jah­re nach dem Urknall, als die ers­ten Ster­ne und Gala­xien entstanden.

Die Ent­ste­hung der frü­hen, mas­se­rei­chen Schwar­zen Löcher zu erklä­ren ist aktu­ell eine gro­ße Her­aus­for­de­rung für die Model­le der Gala­xien­ent­wick­lung. Es gibt eine Rei­he von mög­li­chen Erklä­run­gen, aller­dings bis­lang noch kei­ne, die all­ge­mein akzep­tiert wäre. Könn­te es viel­leicht sein, dass frü­he Schwar­ze Löcher viel effi­zi­en­ter Gas akkre­tier­ten als ihre moder­nen Gegen­stü­cke? Oder könn­te Staub die Beob­ach­tun­gen von Qua­sa­ren so beein­flus­sen, dass die Abschät­zun­gen für die Mas­sen von frü­hen Qua­sa­ren irr­tüm­lich zu hoch ausfallen?

Genauer hingeschaut beim Wachstum früher Schwarzer Löcher

Um ent­schei­den zu kön­nen, wel­che der Erklä­run­gen – wenn über­haupt eine davon – die rich­ti­ge ist, sind genaue­re Beob­ach­tun­gen von Qua­sa­ren nötig, als sie bis­lang mög­lich waren. Hier kommt das Welt­raum­te­le­skop JWST und ins­be­son­de­re sein Instru­ment MIRI für den mitt­le­ren Infra­rot­be­reich ins Spiel: Bei der Mes­sung der Spek­tren ent­fern­ter Qua­sa­re ist MIRI 4000 Mal emp­find­li­cher als alle vor­he­ri­gen Instrumente.

Instru­men­te wie MIRI wer­den von inter­na­tio­na­len Kon­sor­ti­en gebaut, in enger Zusam­men­ar­beit zwi­schen Wissenschaftler*innen, Ingenieur*innen und Techniker*innen. Als Gegen­leis­tung für den Bau des Instru­ments erhal­ten die Kon­sor­ti­en ein bestimm­tes Kon­tin­gent an Beob­ach­tungs­zeit. Bereits 2019, Jah­re vor dem Start von JWST, beschloss das euro­päi­sche MIRI-Kon­sor­ti­um, einen Teil die­ser Zeit zu nut­zen, um MIRI mit einer wich­ti­gen Art von Beob­ach­tung auf die Pro­be zu stel­len: Man beschloss, den damals am wei­tes­ten ent­fern­ten bekann­ten Qua­sar zu beob­ach­ten, ein Objekt mit der Bezeich­nung J1120+0641.

Blick auf eines der frühesten Schwarzen Löcher

Die Aus­wer­tung der Beob­ach­tun­gen wur­de Dr. Sarah Bos­man über­tra­gen, Post­dok­to­ran­din am Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie (MPIA) und Mit­glied des euro­päi­schen MIRI-Kon­sor­ti­ums. Das MPIA hat­te zum MIRI-Instru­ment eine Rei­he wich­ti­ger Bau­tei­le bei­getra­gen. Bos­man war direkt wegen ihrer Erfah­rung bei der Unter­su­chung frü­her super­mas­se­rei­cher Schwar­zer Löcher ein­ge­la­den wor­den, dem MIRI-Kon­sor­ti­um beizutreten.

Die Beob­ach­tun­gen wur­den im Janu­ar 2023 durch­ge­führt, wäh­rend des ers­ten Beob­ach­tungs­zy­klus des JWST, und dau­er­ten etwa zwei­ein­halb Stun­den. Dies war die ers­te Unter­su­chung eines Qua­sars im mitt­le­ren Infra­rot­be­reich in der Zeit der kos­mi­schen Däm­me­rung, nur 770 Mil­lio­nen Jah­re nach dem Urknall (Rot­ver­schie­bung z=7). Erfasst wur­de dabei nicht ein Bild, son­dern ein Spek­trum: die regen­bo­gen­ar­ti­ge Auf­spal­tung des Lichts des Objekts in Kom­po­nen­ten ver­schie­de­ner Wellenlängen.

Auf der Spur von Staub und schnellem Gas

Die Gesamt­form des Spek­trums im mitt­le­ren Infra­rot („Kon­ti­nu­um“) ent­hält Infor­ma­tio­nen über die Eigen­schaf­ten eines gigan­ti­schen, locke­ren Rings aus Staub, wie er die Akkre­ti­ons­schei­be von Qua­sa­ren typi­scher­wei­se umgibt. Der „Staub­to­rus“ hilft, Mate­rie zur Akkre­ti­ons­schei­be zu lei­ten und so das Schwar­ze Loch zu „füt­tern“. Die schlech­te Nach­richt für alle, die die Lösung für die mas­se­rei­chen frü­hen Schwar­zen Löcher in unge­wöhn­lich schnel­lem Wachs­tum suchen: Der Staub­to­rus und damit auch der Füt­te­rungs­me­cha­nis­mus des frü­hen Qua­sars unter­schei­den sich kaum von denen moder­ne­rer Gegen­stü­cke. Den ein­zi­gen Unter­schied hat­te kein Modell des schnel­len Wachs­tums frü­her Qua­sa­re vor­her­ge­sagt: eine rund 100 Kel­vin höhe­re Staub­tem­pe­ra­tur als die 1300 K, die für den hei­ßes­ten Staub in weni­ger weit ent­fern­ten Qua­sa­ren gefun­den wurden.

Bei kür­ze­ren Wel­len­län­gen domi­niert das Licht der Akkre­ti­ons­schei­be das Spek­trum. Hier zei­gen die neu­en Beob­ach­tun­gen, dass das Licht des Qua­sars für uns als ent­fern­te Beob­ach­ter aus­drück­lich nicht durch über­durch­schnitt­lich viel Staub geschwächt wird. Dass wir die Mas­sen frü­her Schwar­zer Löcher ledig­lich wegen des zusätz­li­chen Staubs über­schät­zen wür­den, ist damit auch kei­ne gang­ba­re Erklärung.

Ein “schockierend normaler” früher Quasar

In der soge­nann­ten broad-line regi­on von Qua­sa­ren, benannt nach ihren cha­rak­te­ris­ti­schen brei­ten Spek­tral­li­ni­en, umkrei­sen Gas­klum­pen das Schwar­ze Loch mit annä­hernd Licht­ge­schwin­dig­keit. Das lässt Rück­schlüs­se auf die Mas­se des Schwar­zen Lochs eben­so wie auf Dich­te und Ioni­sie­rung der umge­ben­den Mate­rie zu. Aber auch in die­ser Hin­sicht war bei den Beob­ach­tun­gen alles nor­mal. Bei so gut wie allen Eigen­schaf­ten, die sich aus dem Spek­trum ablei­ten las­sen, unter­schei­det sich J1120+0641 nicht von Qua­sa­ren zu spä­te­ren Zeiten.

Bos­man sagt: „Mit unse­ren Beob­ach­tun­gen wird das Rät­sel noch ein biss­chen rät­sel­haf­ter. Frü­he Qua­sa­re waren über­ra­schend nor­mal. Unab­hän­gig davon, bei wel­chen Wel­len­län­gen wir sie beob­ach­ten, sind Qua­sa­re offen­bar in allen Epo­chen des Uni­ver­sums nahe­zu iden­tisch.“ Es sieht so aus, als wären nicht nur die super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Löcher selbst, son­dern auch ihre Füt­te­rungs­me­cha­nis­men bereits völ­lig „aus­ge­reift“ gewe­sen, als das Uni­ver­sum gera­de mal 5% so alt war wie heute.

Das schließt eine Rei­he der Lösungs­vor­schlä­ge für die gro­ße Mas­se frü­her Schwar­zer Löcher aus und stützt damit die Idee, dass super­mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher von Anfang an eine beträcht­li­che Mas­se gehabt haben müs­sen, im Fach­jar­gon der Astro­no­mie: dass sie „pri­mor­di­al“ oder bereits von Anfang an „groß ange­legt“ („see­ded lar­ge“) sind. Super­mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher hät­ten sich dem­nach nicht aus den Über­res­ten frü­her Ster­ne gebil­det und wären erst anschlie­ßend sehr schnell mas­se­reich gewor­den. Sie dürf­ten sich im Gegen­teil von vorn­her­ein mit Mas­sen von min­des­tens hun­dert­tau­send Son­nen­mas­sen gebil­det haben, ver­mut­lich durch den Kol­laps mas­se­rei­cher frü­her Gaswolken.

MP

Hintergrundinformationen

Die hier beschrie­be­nen Ergeb­nis­se wur­den unter dem Titel „JWST rest-frame infrared spec­tro­sco­py reve­als a matu­re qua­sar at cos­mic dawn“ in der Zeit­schrift Natu­re Astro­no­my veröffentlicht.

Die betei­lig­ten MPIA-Wis­sen­schaft­ler sind Sarah Bos­man (eben­falls Uni­ver­si­tät Hei­del­berg), Fabi­an Wal­ter, Lein­dert Boo­gaard, Manu­el Güdel und Tho­mas Hen­ning, in Zusam­men­ar­beit mit dem MIRI Gua­ran­teed Time Obser­va­tions (MIRI GTO) Team.

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