Das komplexe Rätsel um die als „Little Red Dots“ (LRDs) bekannten Objekte hat sich seit ihrer Entdeckung durch das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, ESA und CSA im Jahr 2022 nach und nach vervollständigt. Nun hilft das Spektrum eines bestimmten „Little Red Dot“, viele der Puzzleteile miteinander zu verbinden.
Ein Astronomenteam unter der Leitung von Wassili Kokorew an der Universität von Texas in Austin hat den gesuchten Punkt identifiziert: GLIMPSE-17775. Durch die sorgfältige Analyse des von Webb erfassten Spektrums des Punktes – das bislang tiefste Spektrum eines Little Red Dots – hat das Forschungsteam mehrere Indizien identifiziert, die alle die Interpretation stützen, dass es sich bei GLIMPSE-17775 um ein supermassives Schwarzes Loch handelt, das von einem dichten Kokon aus teilweise ionisiertem Gas umhüllt ist. Ein Artikel, der die Ergebnisse beschreibt, wurde heute in The Astrophysical Journal veröffentlicht.
„Ich glaube, ein Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft nähert sich einem einheitlichen Bild – nämlich, dass Littel Red Dots durch Sternmodelle von Schwarzen Löchern erklärt werden können. Doch bei keinem der bisherigen Fälle von ‚kleinen roten Punkten‘ fanden sich alle Indizien an derselben Stelle“, sagte Kokorev, Hauptautor der Studie. „Mit GLIMPSE-17775 können wir diese Modelle testen, da das Spektrum dieser Quelle so tief und beeindruckend ist.“
Zusammenfügen der Puzzleteile
Kurz nach der Inbetriebnahme des Webb-Teleskops entdeckte es eine neue, mysteriöse Art von Objekten im frühen Universum – zahlreiche rote Objekte, die etwa 600 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden. Wissenschaftler haben verschiedene Erklärungen für diese Litte Red Dots untersucht, darunter auch das Szenario mit Schwarzen Löchern.
Eine Reihe glücklicher Umstände führte zu diesem aufwendigen Spektrum eines Little Red Dots. Der kleine rote Fleck, der später als GLIMPSE-17775 bekannt wurde, war glücklicherweise Teil der Bildgebungs- und Spektroskopiearbeiten des Webb-Teleskops im Rahmen eines Projekts, das nach Sternen der Population III [1] und schwachen Galaxien im Galaxienhaufen Abell S1063 suchte. Dieser Little Red Dot ist weiter entfernt als der Galaxienhaufen und wird durch Gravitationslinsenwirkung vergrößert (GLIMPSE-17775 hat eine kosmologische Rotverschiebung von 3,5, was bedeutet, dass er etwa 1,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierte).
„Die Quelle wurde im Rahmen des GLIMPSE-Programms entdeckt, das darauf ausgelegt war, die schwächsten Quellen im frühen Universum aufzuspüren“, sagte Hakim Atek vom Institut d’Astrophysique de Paris in Frankreich, der Mitautor der Studie und leitender Forscher des GLIMPSE-Programms ist. „Darüber hinaus ermöglicht die Vergrößerung durch Gravitationslinsen auch eine detailliertere Charakterisierung hellerer Objekte, einschließlich LRDs wie GLIMPSE-17775.“
Während das Webb-Teleskop ein 30-stündiges Spektrum des kleinen roten Punktes aufnahm, entsprach dies aufgrund des Gravitationslinseneffekts einer Beobachtungszeit von 80 Stunden mit dem Teleskop. Diese Kombination aus Webbs Infrarotempfindlichkeit und der natürlichen „Lupe“ des Gravitationslinseneffekts verstärkte die Detailgenauigkeit, die bei GLIMPSE-17775 gewonnen werden konnte. Das Ergebnis waren über 40 Spektrallinien [2] dieser kleinen, roten Quelle – das bisher detaillierteste Spektrum eines LRD.
„Als wir das Spektrum zum ersten Mal sahen, war es, als lägen alle Puzzleteile verstreut auf dem Boden“, sagte Kokorev. „Wir hoben jedes Puzzleteil auf, maßen die Linien und begannen, die verschiedenen Teile zu einem Mosaik zusammenzusetzen. Anfangs sahen manche Teile vielleicht nach nichts aus, aber dann fügten sich ein paar zusammen, und wir erkannten, dass da etwas war.“
Die von Webb gesammelten spektroskopischen Daten enthalten zahlreiche Hinweise, die die Interpretation stützen, dass der kleine rote Punkt GLIMPSE-17775 ein Schwarzes-Loch-Stern ist: ein schnell akkretierendes oder wachsendes Schwarzes Loch, das von einem dichten Gaskokon umhüllt ist, der das aus der Nähe des Schwarzen Lochs ausgestrahlte Licht umwandelt und die im Spektrum beobachteten Merkmale erzeugt.
Beweisketten
Unter den über 40 Spektrallinien, die das Team im Spektrum von GLIMPSE-17775 entdeckte, befanden sich verschiedene unabhängige Indikatoren, die allesamt mit dem Szenario eines Schwarzen Lochs übereinstimmen. So stellte das Team beispielsweise fest, dass viele der Spektrallinien (wie etwa Wasserstoff, Sauerstoff und Helium) nicht zu einem einfachen Modell einer rotierenden Gaswolke passen. Stattdessen beinhaltet das am besten passende Modell einen Verbreiterungseffekt, der als Elektronenstreuung bekannt ist: ein deutliches Anzeichen dafür, dass ein dichter, geschichteter Gaskokon diese Quelle umhüllt.
Die Stärke und das Verhältnis bestimmter Spektrallinien zueinander, insbesondere der 16 Eisenlinien, die den von den Astronomen als „Eisenwald“ bezeichneten Bereich bilden, sowie bestimmter Sauerstofflinien, deuten auf eine hochenergetische Quelle hin, wie beispielsweise ein schnell Materie ansammelndes Schwarzes Loch. Zusätzlich beobachteten die Astronomen die Fluoreszenz und Absorption von Helium im Spektrum, was jeweils auf ein dichtes Medium hindeutet, das eine starke Quelle umgibt.
Das Szenario eines Schwarzen Lochs passt nicht nur zu GLIMPSE-17775; es erklärt auch, warum die meisten Little Red Dots im Röntgenbereich schwach leuchten, da jegliche Emission dieser Art wahrscheinlich vom dichten Gaskokon absorbiert wird.
Ein fehlendes Puzzleteil bei GLIMPSE-17775 ist der Teil des Spektrums, der einen sogenannten Balmer-Break offenbaren würde – also eine starke Absenkung im emittierten Licht, die ein charakteristisches Merkmal von „Little Red Dots“ ist. Um ein umfassenderes Verständnis dieses kleinen roten Punktes zu erlangen, bezog das Team Zusatzdaten aus zwei Beobachtungsprogrammen ein, die das Hubble-Weltraumteleskop der NASA/ESA nutzten: die Programme Frontier Fields und BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).
Die Daten von Webb und Hubble tragen gemeinsam dazu bei, zu erklären, warum der Balmer-Break schwächer ist als bei anderen Little Red Dots: GLIMPSE-17775 ist von einer riesigen Wirtsgalaxie umgeben. Obwohl die Wirtsgalaxie eines solchen LRD in dieser Größenordnung bisher ungewöhnlich war, widerspricht sie nicht dem Modell eines dichten Gaskokons. Das Modell der „Little Red Dots“ mit Schwarzen Löchern und Sternen führt das überschüssige blaue Licht auf Sterne in der Wirtsgalaxie zurück.
Als Webb erstmals kleine rote Punkte entdeckte, dachten einige Forscher, diese Objekte hätten die „Kosmologie auf den Kopf gestellt“, da sie sich nicht sicher waren, wie Galaxien im frühen Universum so schnell so groß werden konnten, um all dieses Licht zu erklären, das von ihren Sternen stammt. Das Team ist jedoch der Ansicht, dass das Puzzleteil GLIMPSE-17775 gut in das bestehende Rahmenwerk der Entwicklungsgeschichte des Universums passt, da die Massen der Schwarzen Löcher nicht so hoch sein müssen, um die breiten Emissionslinien zu erklären.
„Alles passt zusammen, nichts ist kaputt, und ich denke, das macht das Rätsel unseres Universums noch spannender“, sagte Kokorev. „Ich freue mich darauf, tiefer in die Materie einzutauchen und herauszufinden, was die zentralen Energiequellen dieser LRD antreibt. Wir vermuten zwar ein Schwarzes Loch, aber es gibt auch andere interessante Theorien, was sehr aufregend ist. Vielleicht haben wir in ein oder zwei Jahren die endgültige Antwort darauf, was diese Quellen antreibt.“
Anmerkungen
[1] Astronomen wissen, dass die ersten Sterne, offiziell als Sterne der Population III bezeichnet, fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium bestanden haben müssen – den Elementen, die als direkte Folge des Urknalls entstanden sind. Sie enthielten vermutlich keine der schwereren Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Eisen, die in den heute leuchtenden Sternen zu finden sind. Mit anderen Worten: Sterne der Population III waren metallfrei (Astronomen bezeichnen jedes Element, das schwerer als Helium ist, als Metall).
[2] In einem Spektrum ist Licht, das von einem Atom oder Molekül bei einer bestimmten Frequenz emittiert oder absorbiert wird. Jedes Ion, Atom und Molekül emittiert und absorbiert Licht bei bestimmten Wellenlängen, wodurch es möglich ist, die Zusammensetzung eines Sterns oder eines anderen Himmelskörpers zu bestimmen. Emissionslinien erzeugen helle Merkmale, Absorptionslinien dunkle Merkmale, und jede Linie steht für Licht, das von einer oder mehreren Substanzen abgegeben oder absorbiert wird.
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 Einsatz der Trägerrakete Ariane 5 bereit. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern war die ESA für die Entwicklung und Qualifizierung der Anpassungen der Ariane 5 für die Webb-Mission sowie für die Beschaffung des Startdienstes durch Arianespace verantwortlich. Die ESA stellte außerdem den Hauptspektrografen NIRSpec sowie 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 entwickelt und gebaut wurde.
Webb ist eine internationale Partnerschaft zwischen der NASA, der ESA und der Canadian Space Agency (CSA).
Bildnachweis: NASA, ESA, CSA, V. Kokorev (Universität von Texas in Austin), A. Pagan (STScI)
Links
Link zur ESA-Pressemitteilung weic2610
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