Supermassereiches Schwarzes Loch aus der Frühzeit des Universums überrascht Forscher

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Mithilfe der beispiellosen Bildgebungs- und Spektroskopieleistung des James-Webb-Weltraumteleskops von NASA, ESA und CSA haben Forscher die Bewegung und Zusammensetzung des Gases kartiert, das ein supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum von Abell2744-QSO1 umkreist, einer winzigen Galaxie in über 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Schwarze Loch mit der 50-millionenfachen Sonnenmasse älter ist als seine Wirtsgalaxie, möglicherweise in der ersten Sekunde des Urknalls entstanden ist und von Anfang an gewaltige Ausmaße gehabt haben muss.

Dies ist eine Aufnahme der NIRCam (Nahinfrarotkamera) des Webb-Teleskops, die Abell2744-QSO1 zeigt, vergrößert und dreifach abgebildet durch den Galaxienhaufen Abell 2744. Abell2744-QSO1 (QSO1) ist ein prototypischer „Little Red Dot“, einer der ersten von Hunderten winziger, leuchtender Infrarotlichtpunkte, die das Webb-Teleskop im frühen Universum entdeckt hat. – Credit: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Ben-Gurion University), R. Maiolino (Cambridge), F. D’Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (University of Florence). Image processing: A. Pagan

Was war zuerst da, die Galaxie oder das Schwarze Loch? Wissenschaftler vermuteten lange, es könnte die Galaxie gewesen sein: Große Sterne innerhalb einer bestehenden Galaxie verbrauchen ihren Brennstoff und kollabieren zu Schwarzen Löchern, die umgebendes Material verschlingen und im Laufe der Zeit zu noch massereicheren Gebilden verschmelzen können. Doch es ist schwer zu begreifen, wie Schwarze Löcher mit Millionen bis Milliarden Mal der Sonnenmasse – von denen Tausende im frühen Universum entdeckt wurden – so schnell aus solch winzigen Keimen entstehen konnten.

Nun haben Forscher mithilfe des Webb-Teleskops eindeutige Beweise dafür gefunden, dass einige supermassive Schwarze Löcher von Anfang an enorm groß waren und sich ohne eine Phase des Sternenkollapses sowie ohne eine wesentlich massereichere Wirtsgalaxie, die sie speisen konnte, bildeten.

„Das ist eine bemerkenswerte Entdeckung“, sagte Roberto Maiolino von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich, Mitautor der heute in Nature und den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlichten Studien. „Es ist ein Paradigmenwechsel, eine völlige Neubetrachtung der klassischen Szenarien, wie sich Schwarze Löcher bilden und wachsen.“

Little Red Dot QSO1

Die Schlussfolgerung des Teams basiert auf detaillierten Beobachtungen von Abell2744-QSO1 (QSO1), einem prototypischen Little Red Dot, der nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte.

Obwohl QSO1 nur einen Durchmesser von 1.300 Lichtjahren hat und sein Licht mehr als 13 Milliarden Jahre lang unterwegs war, lässt es sich leichter untersuchen als die meisten anderen „Little Red Dots“, da es durch den Galaxienhaufen Abell 2744 (Pandora-Haufen) gravitativ verzerrt wird. QSO1 wird sowohl vergrößert als auch dreifach abgebildet und erscheint an drei verschiedenen Stellen am Himmel.

Erste Untersuchungen von QSO1 lieferten überzeugende Hinweise darauf, dass es sich dabei um kaum mehr als eine Wolke aus leuchtendem Wasserstoff- und Heliumgas handeln könnte, die ein supermassereiches Schwarzes Loch umkreist, dessen Masse auf 40 Millionen Sonnenmassen geschätzt wird. Doch wie bei anderen frühen Schwarzen Löchern, die von Webb entdeckt wurden, herrschte Unsicherheit darüber, ob es tatsächlich so massereich war.

„Bislang waren alle Massenmessungen von Schwarzen Löchern im frühen Universum indirekt und basierten auf Annahmen, die auf unserem Wissen über sie im lokalen Universum beruhten. Wir wussten nicht, ob diese Annahmen wirklich auf das ferne Universum zutreffen“, sagte Mitautor Francesco D’Eugenio, ebenfalls von der Universität Cambridge.

Kartierung der Gaszusammensetzung und der Geschwindigkeit

Das Team erkannte, dass sie, falls das Schwarze Loch von QSO1 so massereich ist, wie es aussieht, die Integral-Field-Unit (IFU) am NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograf) von Webb nutzen könnten, um die Auswirkungen seiner Schwerkraft auf das um ihn herumwirbelnde Gas nachzuverfolgen und gleichzeitig die Verteilung verschiedener Elemente im Gas zu kartieren.

Der Cambridge-Absolvent Ignas Juodžbalis und Cosimo Marconcini von der Universität Florenz, Hauptautoren einer der Studien, nutzten die IFU-Beobachtungen, um die Bewegungen des Wasserstoffgases um das Schwarze Loch zu kartieren. Als sie die Rotationsgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Abstand zum Zentrum darstellten, stellten sie fest, dass das Gas eine Kepler-Bewegung ausführt: Es umkreist einen zentralen Punkt, ähnlich wie die Planeten unseres Sonnensystems die Sonne umkreisen.

„Das ist wichtig, weil es uns zeigt, dass der größte Teil der Masse von QSO1 im Schwarzen Loch im Zentrum konzentriert ist“, sagte Juodžbalis. „Wäre die Masse stärker verteilt, wie es bei einer großen Anzahl von Sternen der Fall wäre, würde das Gas diese perfekte Kepler-Rotation nicht aufweisen.“

Dopplerverschiebung QSO1 — Rechts ist eine Karte zu sehen, die die Geschwindigkeit zeigt, mit der sich Gas in verschiedenen Teilen von QSO1 auf das Teleskop zu oder von ihm weg bewegt (Rotationsgeschwindigkeit). Die Karte wurde anhand von Daten erstellt, die mit der Integral-Field-Unit (IFU) von NIRSpec, einer Kombination aus Kamera und Spektrograf, gesammelt wurden. Die Farben verschieben sich leicht in Richtung kürzerer (blauerer) Wellenlängen, wenn sich das Material auf uns zu bewegt, und in Richtung längerer (rötlicherer) Wellenlängen, wenn es sich von uns entfernt. – Credit: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Ben-Gurion University), R. Maiolino (Cambridge), F. D’Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (University of Florence). Image processing: A. Pagan

Da die Kepler-Bewegung den einfachen Gesetzen der Gravitation folgt, konnte das Team die Gasgeschwindigkeitsmessungen nutzen, um die Masse des Schwarzen Lochs direkt zu berechnen – eine Leistung, die zuvor nicht möglich gewesen war. Sie fanden heraus, dass das Schwarze Loch nicht nur riesig ist – etwa 50 Millionen Sonnenmassen –, sondern auch erstaunliche zwei Drittel der Gesamtmasse von QSO1 ausmacht. Dieser Anteil ist tausendfach größer als in nahen Galaxien, wo supermassereiche Schwarze Löcher nur einen winzigen Bruchteil der Gesamtmasse der Wirtsgalaxie ausmachen.

Die IFU-Zusammensetzungskarten bestätigten diese Ergebnisse und zeigten, dass das Gas in QSO1 fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium besteht, mit sehr geringen Mengen an schwereren Elementen wie Sauerstoff, die in einer Galaxie mit vielen Sternen und Sternentrümmern zu erwarten wären. Mit einer Metallizität von weniger als 0,5 % der Sonnenmetallizität zählt QSO1 zu den unberührtesten galaktischen Umgebungen, die jemals vermessen wurden.

„Das ist ein phänomenales Ergebnis“, sagte Maiolino. „Es handelt sich um die erste direkte Messung der Masse eines Schwarzen Lochs innerhalb der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall, und sie stimmt mit früheren Messungen überein.“ Das Team sieht darin ein gutes Zeichen dafür, dass die Annahmen, die für indirekte Massenmessungen herangezogen wurden, zutreffend sind und die Massen anderer Schwarzer Löcher im frühen Universum nicht überschätzt wurden.

Ursprünge supermassereicher Schwarzer Löcher

Die im Verhältnis zu seiner Wirtsgalaxie überdimensionale Masse von QSO1 legt nahe, dass es sich nicht schrittweise aus viel kleineren, stellaren Schwarzen Löchern gebildet haben kann, die verschmolzen und sich weiter vergrößert haben. „Es scheint, als hätten wir ein Schwarzes Loch gefunden, das keine nennenswerte Wirtsgalaxie hat und das älter ist als stellare Prozesse“, sagte Juodžbalis. „Das ist sehr spannend, denn es ist ein Hinweis auf primordiale Schwarze Löcher oder durch direkten Kollaps entstandene Schwarze Löcher, die zwar theoretisch vorhergesagt, aber noch nicht bestätigt wurden.“

Ob das Schwarze Loch von QSO1 aus einem „schweren Keim“ entstand, der sich innerhalb der ersten Sekunde des Urknalls bildete, oder etwas später aus dem Kollaps einer riesigen Gaswolke, es war mit ziemlicher Sicherheit groß und befindet sich möglicherweise in einem frühen Stadium des Aufbaus einer Galaxie um sich herum.

Das Team geht davon aus, dass „Little Red Dots“ wie QSO1 im frühen Universum nicht selten gewesen sein können, und analysiert derzeit ähnliche Objekte, um herauszufinden, ob supermassive Schwarze Löcher tatsächlich älter sind als die Galaxien, in denen sie sich derzeit befinden.

Hintergrundinformationen

Webb ist das größte und leistungsstärkste Teleskop, das jemals ins All gebracht wurde. Im Rahmen einer internationalen Kooperationsvereinbarung stellte die ESA den Startdienst für das Teleskop unter Verwendung der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Ariane-5-Anpassungen für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung der Startdienstleistung durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den Hauptspektrografen NIRSpec und 50 % des Mittelinfrarot-Instruments MIRI bereit, das von einem Konsortium staatlich 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 der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).

Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Ben-Gurion-Universität), R. Maiolino (Cambridge), F. D’Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Universität Florenz). Bildbearbeitung: A. Pagan