Eine Blazar in Rekordentfernung

Astro­nom­in­nen und Astro­no­men haben einen wich­ti­gen Teil der Ant­wort auf die Fra­ge gefun­den, wie super­mas­se­rei­che Schwar­ze Löcher im frü­hen Uni­ver­sum so schnell wach­sen konn­ten: eine beson­de­re Sor­te von akti­vem galak­ti­schem Kern, der so weit ent­fernt ist, dass sein Licht mehr als 12,9 Mil­li­ar­den Jah­re gebraucht hat, um uns zu errei­chen. Die Exis­tenz die­ses so genann­ten Bla­zars legt nahe, dass es eine gro­ße, aber ver­bor­ge­ne Popu­la­ti­on ähn­li­cher Objek­te gibt, die sämt­lich star­ke Teil­chen­jets aus­sen­den. Das wie­der­um ist bedeut­sam, da Schwar­ze Löcher, die Jets erzeu­gen, wesent­lich schnel­ler wach­sen kön­nen soll­ten als Schwar­ze Löcher ohne Jets.

Akti­ve galak­ti­sche Ker­ne (eng­lisch acti­ve galac­tic nuclei, AGN) sind extrem hel­le Zen­tral­re­gio­nen von Gala­xien. Ange­trie­ben wird der Ener­gie­aus­stoß eines AGN durch Mate­rie, die auf das zen­tra­le super­mas­se­rei­che Schwar­ze Loch der betref­fen­den Gala­xie fällt. Sol­cher Mate­rie-Ein­fall, „Akkre­ti­on“, ist die effi­zi­en­tes­te Art der Ener­gie­frei­set­zung über­haupt. Ent­spre­chend kön­nen AGN mehr Licht erzeu­gen als alle Ster­ne in Hun­der­ten, Tau­sen­den oder noch mehr Gala­xien zusam­men, und das in einer Raum­re­gi­on klei­ner als unser Sonnensystem. 

Man nimmt an, dass min­des­tens zehn Pro­zent aller AGN gebün­del­te hoch­en­er­ge­ti­sche Teil­chen­strah­len aus­sen­den, so genann­te Jets. Sol­che Jets schie­ßen aus der unmit­tel­ba­ren Umge­bung des Schwar­zen Lochs in zwei ent­ge­gen­ge­setz­te Rich­tun­gen. Erzeugt wer­den sie durch Magnet­fel­der, die in der „Akkre­ti­ons­schei­be“ von Gas ver­an­kert sind, das um das Schwar­ze Loch her­um­wir­belt. Damit wir einen AGN als Bla­zar sehen, ist ein beacht­li­cher Zufall von­nö­ten: die Erde, von der aus wir ja all unse­re astro­no­mi­schen Beob­ach­tun­gen vor­neh­men, muss sich vom AGN aus zufäl­lig genau in der­je­ni­gen Rich­tung befin­den, in die auch der Jet läuft. Das Ergeb­nis ist das astro­no­mi­sche Ana­lo­gon dazu, dass einem jemand den Strahl einer sehr hel­len Taschen­lam­pe direkt in die Augen leuch­tet: ein beson­ders hel­les Objekt am Him­mel. Cha­rak­te­ris­tisch für einen Bla­zar ist außer­dem, dass sei­ne Hel­lig­keit rasch fluk­tu­iert, näm­lich auf Zeit­ska­len von Tagen, Stun­den oder sogar weni­ger. Das ist eine Fol­ge der zufäl­li­gen Ver­än­de­run­gen in der wir­beln­den Akkre­ti­ons­schei­be an der Basis des Jets sowie von Insta­bi­li­tä­ten im Wech­sel­spiel zwi­schen Magnet­fel­dern und gela­de­nen Teil­chen im Jet selbst.

Auf der Suche nach aktiven Galaxienkernen im frühen Universum

Die neue Ent­de­ckung war das Ergeb­nis einer sys­te­ma­ti­schen Suche nach akti­ven Gala­xien­ker­nen im frü­hen Uni­ver­sum. Ver­ant­wort­lich dafür zeich­net Edu­ar­do Baña­dos, ein For­schungs­grup­pen­lei­ter am Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie, der sich auf die ers­ten Mil­li­ar­den Jah­re der kos­mi­schen Geschich­te spe­zia­li­siert hat. Da Licht Zeit braucht, um uns zu errei­chen, sehen wir weit ent­fern­te Objek­te jeweils so, wie sie vor Mil­lio­nen oder sogar Mil­li­ar­den Jah­ren waren. Hin­zu kommt ein wei­te­rer Effekt: die kos­mo­lo­gi­sche Rot­ver­schie­bung, eine Fol­ge der ste­ten Expan­si­on unse­res Kos­mos, ver­schiebt das von fer­nen Objek­ten aus­ge­sand­te Licht hin zu län­ge­ren Wel­len­län­gen. Baña­dos und sein Team mach­ten sich die­se Tat­sa­che zunut­ze. Sie such­ten sys­te­ma­tisch nach Objek­ten, deren Licht so stark rot­ver­scho­ben war, dass jene Objek­te bei Beob­ach­tun­gen im sicht­ba­ren Bereich des Spek­trums (kon­kret: im Dark Ener­gy Lega­cy Sur­vey) gar nicht mehr zu sehen waren, aber in einer Radio-Durch­mus­te­rung (der 3‑GHz-VLASS-Durch­mus­te­rung) als hel­le Quel­len auftraten.

Unter den 20 Kan­di­da­ten-Objek­ten, die bei­de Kri­te­ri­en erfüll­ten, genüg­te nur ein ein­zi­ges, näm­lich J0410-0139 noch einem wei­te­ren wich­ti­gen Kri­te­ri­um: Jenes Objekt zeig­te zusätz­lich signi­fi­kan­te Hel­lig­keits­schwan­kun­gen im Radio­be­reich. Das wie­der­um ist ein star­kes Indiz, dass es sich in der Tat um einen Bla­zar han­delt. Die­sem Objekt rück­ten die For­scher um Baña­dos dann mit einer gan­zen Bat­te­rie von Tele­sko­pen genau­er zulei­be: Nahin­fra­rot­be­ob­ach­tun­gen mit dem New Tech­no­lo­gy Telescope (NTT) der ESO, ein Spek­trum mit dem Very Lar­ge Telescope (VLT) der ESO, zusätz­li­che Nahin­fra­rot­spek­tren mit dem LBT, mit einem der Keck-Tele­sko­pe und mit dem Magel­lan-Tele­skop, Rönt­gen­bil­der mit dem XMM-New­ton-Tele­skop der ESA und dem Chandra-Tele­skop der NASA, Mil­li­me­ter­wel­len­be­ob­ach­tun­gen mit den ALMA- und NOE­MA-Tele­s­kop­ver­bün­den sowie detail­lier­te­re Radio­be­ob­ach­tun­gen mit den VLA-Tele­sko­pen des Natio­nal Radio Astro­no­my Obser­va­to­ry in den USA.

Die sys­te­ma­ti­schen Beob­ach­tun­gen bestä­tig­ten, dass es sich in der Tat um einen akti­ven Gala­xien­kern und spe­zi­ell um einen Bla­zar han­del­te. Die Beob­ach­tun­gen lie­fer­ten (über die Rot­ver­schie­bung) auch die Ent­fer­nung Objekts. Sogar Spu­ren der Wirts­ga­la­xie, in deren Zen­trum sich das Objekt befin­det, wur­den gefun­den. Das Licht die­ses akti­ven galak­ti­schen Kerns hat 12,9 Mil­li­ar­den Jah­re gebraucht, um uns zu errei­chen (z=6,9964) und lie­fert uns dem­nach Infor­ma­tio­nen über das Uni­ver­sum, wie es vor 12,9 Mil­li­ar­den Jah­ren war.

„Wo es einen gibt, gibt es noch hundert weitere.“

Baña­dos sagt: „Der Umstand, dass J0410-0139 ein Bla­zar ist – mit einem Jet, der zufäl­lig direkt auf die Erde zeigt – erlaubt unmit­tel­ba­re sta­tis­ti­sche Schlüs­se. Stel­len Sie sich vor, Sie lesen von jeman­dem, der 100 Mil­lio­nen Euro im Lot­to gewon­nen hat. Bedenkt man, wie sel­ten ein sol­cher Gewinn ist, folgt sofort, dass es noch ungleich mehr Men­schen gege­ben haben muss, die an die­ser Lot­te­rie teil­ge­nom­men, aber kei­ne so exor­bi­tan­te Sum­me gewon­nen haben. Ana­log legt die Ent­de­ckung eines AGN mit einem direkt auf uns gerich­te­ten Jet nahe, dass es zu dem ent­spre­chen­den Zeit­punkt in der kos­mi­schen Geschich­te noch vie­le wei­te­re AGN mit Jets gege­ben haben muss, die nicht auf uns gerich­tet sind.“ Oder in der Kurz­fas­sung von Sil­via Bel­la­dit­ta, Post-Doc am MPIA und Mit­au­torin der vor­lie­gen­den Ver­öf­fent­li­chung: „Wo es einen gibt, gibt es noch hun­dert weitere“.

Das Licht des bis­he­ri­gen Rekord­hal­ters für den am wei­tes­ten ent­fern­ten Bla­zar hat rund 100 Mil­lio­nen Jah­re weni­ger gebraucht, um uns zu errei­chen (z=6,1). Die zusätz­li­chen 100 Mil­lio­nen Jah­re mögen ange­sichts der Tat­sa­che, dass wir ins­ge­samt mehr als 12 Mil­li­ar­den Jah­re zurück­bli­cken, nicht viel erschei­nen. Und doch machen sie einen ent­schei­den­den Unter­schied. Das dama­li­ge Uni­ver­sum hat sich näm­lich viel rascher ver­än­dert als das heu­ti­ge, und inner­halb jener 100 Mil­lio­nen Jah­ren konn­te ein super­mas­se­rei­ches Schwar­zes Loch sei­ne Mas­se ver­zehn­fa­chen. Den aktu­el­len Model­len zufol­ge sol­le sich die Zahl der AGN in die­sen 100 Mil­lio­nen Jah­ren um den Fak­tor fünf bis zehn erhöht haben. Die Ent­de­ckung, dass es vor 12,8 Mil­li­ar­den Jah­ren einen sol­chen Bla­zar gab, wäre nicht uner­war­tet. Die Tat­sa­che, dass es ihn vor 12,9 Mil­li­ar­den Jah­ren gab, wie in die­sem Fall, ist eine ganz ande­re Sache.

Hilfe für das Wachstum Schwarzer Löcher

Dass es zu jenem frü­hen Zeit­punkt offen­bar bereits eine gan­ze Popu­la­ti­on von AGN mit Jets gab, hat Kon­se­quen­zen für das Wachs­tum super­mas­se­rei­cher Schwar­zer Löcher in jener Epo­che der kos­mi­schen Geschich­te. Schwar­ze Löcher, deren AGN Jets haben, soll­ten schnel­ler an Mas­se zule­gen kön­nen als Schwar­ze Löcher ohne Jets. Anders als man den­ken könn­te, ist es näm­lich alles ande­re als ein­fach für Gas, in ein Schwar­zes Loch zu fal­len. Nor­ma­ler­wei­se umkreist Gas ein Schwar­zes Loch, ähn­lich wie ein Pla­net die Son­ne umkreist, und zwar mit zuneh­men­der Geschwin­dig­keit, je näher das Gas dem Schwar­zen Loch kommt („Dreh­im­puls­er­hal­tung“). Um hin­ein­zu­fal­len, muss das Gas erst lang­sa­mer wer­den und Ener­gie ver­lie­ren. Wo ein Jet ist, sind auch Magnet­fel­der, und sol­che Magnet­fel­der die mit der wir­beln­den Gas­schei­be wech­sel­wir­ken, kön­nen das Gas abbrem­sen und damit ins Schwar­ze Loch befördern.

Damit hat die neue Ent­de­ckung Kon­se­quen­zen, die in jedes zukünf­ti­ge Model des Wachs­tums Schwar­zer Löcher in den frü­hen Pha­sen des Uni­ver­sums Ein­gang fin­den dürf­ten: Vor 12,9 Mil­li­ar­den Jah­ren gab es eine Popu­la­ti­on von akti­ven Gala­xien­ker­nen mit Jets und damit auch mit Magnet­fel­dern, die gute Bedin­gun­gen für das rasche Wachs­tum super­mas­se­rei­cher Schwar­zer Löcher schufen.

Hintergrundinformationen

Die hier beschrie­be­nen Ergeb­nis­se wur­den ver­öf­fent­licht als E. Baña­dos et al. „A bla­zar in the epoch of reio­niza­ti­on“ in Natu­re Astro­no­my und als E. Baña­dos et al. „[CII] pro­per­ties and Far-Infrared varia­bi­li­ty of a z = 7 bla­zar“ in Astro­phy­si­cal Jour­nal Let­ters. Die betei­lig­ten MPIA-Wissenschaftler*innen sind Edu­ar­do Baña­dos, Sil­via Bel­la­dit­ta (außer­dem INAF Bolo­gna), Fabi­an Wal­ter, Zhang-Liang Xie, Yana Khus­a­no­va und Sofía Rojas-Ruiz (außer­dem UCLA), in Zusam­men­ar­beit mit Emma­nu­el Mom­ji­an (Natio­nal Radio Astro­no­my Obser­va­to­ry, USA), Tho­mas Con­nor (Har­vard-Smit­h­so­ni­an Cen­ter for Astro­phy­sics), Rober­to Decar­li (INAF Bolo­gna) und Chia­ra Maz­zuc­chel­li (Uni­ver­si­dad Die­go Por­ta­les, Chile).

MP

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