Weltraumteleskop Euclid spürt ferne Quasare mit Rekorddistanz auf

Mit dem ESA-Welt­raum­te­le­skop Euclid hat jetzt ein neu­es Kapi­tel der Erfor­schung frü­her Qua­sa­re und ihrer Hei­mat­ga­la­xien begon­nen. Neue For­schungs­er­geb­nis­se von Sil­via Bel­la­dit­ta (Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie, MPIA) und Kol­le­gen haben eine der Ent­de­ckun­gen von Euclid wei­ter­ver­folgt und die Hei­mat­ga­la­xie eines der frü­hes­ten bekann­ten super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Löcher im Uni­ver­sum näher untersucht.

Helle Objekte mit einem dunklen Zentrum

Akti­ve Gala­xien­ker­ne, ins­be­son­de­re soge­nann­te Qua­sa­re, sind für eini­ge der hells­ten Leucht­erschei­nun­gen ver­ant­wort­lich, die Astro­no­men am Him­mel beob­ach­ten. “Antrieb” für die enor­me Leucht­kraft ist dabei jeweils Mate­rie, die auf ein zen­tra­les super­mas­se­rei­ches Schwar­zes Loch fällt, also auf ein Schwar­zes Loch mit Mil­lio­nen, Mil­li­ar­den oder sogar noch mehr Son­nen­mas­sen. Sol­che super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Löcher kom­men in so gut wie allen Gala­xien vor. Der Ener­gie­aus­stoß beein­flusst dabei die Stern­ent­ste­hung der umge­ben­den Gala­xie – ein Effekt, der bei den mas­se­reichs­ten Gala­xien beson­ders stark aus­ge­prägt ist. Der akti­ve Gala­xien­kern hemmt Stern­ent­ste­hung, indem er das Gas, das den Roh­stoff für neue Ster­ne bil­det, erhitzt. Er kann aber auch dazu bei­tra­gen, jenes Gas zu ver­dich­ten, und die Stern­ent­ste­hung damit zu fördern.

Die Ent­ste­hung der ers­ten Gala­xien und ihrer zen­tra­len Schwar­zen Löcher ist ein hoch akti­ves For­schungs­ge­biet. Ein wich­ti­ger Teil des Puz­zles ist dabei die Suche nach den ers­ten Qua­sa­ren, und die Unter­su­chung ihrer Hei­mat­ga­la­xien. Aller­dings ist solch ein Blick in die Ver­gan­gen­heit immer eine Her­aus­for­de­rung: Wir sehen Objek­te genau dann so, wie sie im frü­hen Uni­ver­sum waren, wenn ihr Licht beson­ders lan­ge benö­tigt hat, um uns zu errei­chen. Zeigt uns das Licht, das heu­te unse­re Tele­sko­pe erreicht, uns einen Qua­sar so, wie er vor 13,4 Mil­li­ar­den Jah­ren war, dann liegt das schließ­lich dar­an, dass jenes Licht 13,4 Mil­li­ar­den Jah­re gebraucht hat, um von jenem Qua­sar zu unse­ren Tele­sko­pen zu gelangen.

Auf der Suche nach „gewöhnlichen“ Quasaren

Über so gro­ße Ent­fer­nun­gen beob­ach­tet erschei­nen selbst von Natur aus extrem hel­le Objek­te wie Qua­sa­re ver­gleichs­wei­se leucht­schwach. Am ein­fachs­ten zu beob­ach­ten sind natur­ge­mäß beson­ders hel­le Exem­pla­re – aber dass ein Qua­sar extrem hell ist, bedeu­tet gleich­zei­tig, dass er nicht reprä­sen­ta­tiv für die Popu­la­ti­on der Qua­sa­re ins­ge­samt sein dürf­te. Und genau hier kann das ESA-Welt­raum­te­le­skop sei­ne Stär­ken aus­spie­len: als beson­ders guter “Qua­sar-Fin­der” im frü­hen Uni­ver­sum – eine beacht­li­che Leis­tungs­fä­hig­keit, die durch Nach­be­ob­ach­tun­gen mit boden­ge­stütz­ten Tele­sko­pen bestä­tigt wird.

Edu­ar­do Baña­dos, Grup­pen­lei­ter am MPIA und von 2022 bis 2025 Co-Lei­ter der Qua­sar-Grup­pe für Euclid, sagt: „Zu sehen, wie Euclid sein Poten­zi­al aus­schöpft, ist unge­mein befrie­di­gend. Aber es kommt noch bes­ser: Zum ers­ten Mal kön­nen wir gewöhn­li­che, typi­sche Qua­sa­re im frü­hen Uni­ver­sums unter­su­chen, nicht nur außer­ge­wöhn­lich hel­le. Das lie­fert Infor­ma­tio­nen dar­über, wie der Groß­teil der frü­hen Schwar­zen Löcher gewach­sen ist – und wie die­se Schwar­zen Löcher ihre Hei­mat­ga­la­xien beein­flusst haben.“

Nach nur 1,5 Jah­ren Beob­ach­tungs­zeit hat Euclid die Zahl der bekann­ten frü­hen Qua­sa­re von neun auf 21 bereits mehr als ver­dop­pelt. (Gemeint sind dabei Qua­sa­re mit Rot­ver­schie­bung z > 7, also Qua­sa­re, die wir so sehen, wie sie weni­ger als 800 Mil­lio­nen Jah­re nach dem Urknall waren.) Inner­halb weni­ger Mona­te konn­te Euclid den Rot­ver­schie­bungs­re­kord für Qua­sa­re dabei nicht nur ein­mal, son­dern gleich zwei­mal brechen!

Eigenschaften einer frühen Heimatgalaxie

Für einen jener gewöhn­li­chen frü­hen Qua­sa­re konn­ten Bel­la­dit­ta und ihr Team die Hei­mat­ga­la­xie genau­er unter die Lupe neh­men. Der Qua­sar trägt die Bezeich­nung EUCL J125308.55+705432.3 (ein “Name”, der sich aus der Posi­ti­on des Qua­sars am Him­mel ablei­tet). Was uns heu­te an Licht von die­sem Qua­sar erreicht, wur­de vor 13 Mil­li­ar­den Jah­ren aus­ge­strahlt, gan­ze 800 Mil­lio­nen Jah­re nach dem Urknall (bei der Rot­ver­schie­bung z=7,7). Der Qua­sar ist im UV-Bereich nur rund 15% so hell wie frü­he­re Qua­sa­re, die den Rekord bei der Rot­ver­schie­bung hielten.

Für ihre Beob­ach­tun­gen der Hei­mat­ga­la­xie nutz­ten die For­schen­den das NOE­MA-Anten­nen­feld (NOr­t­hern Exten­ded Mil­li­me­ter Array) auf dem Pla­teau de Bure in den fran­zö­si­schen Alpen. Die zwölf 15-Meter-Anten­nen von NOEMA wer­den so zusam­men­ge­schal­tet, dass sie wie ein ein­zel­nes, deut­lich grö­ße­res Tele­skop agie­ren. Mit die­sem Ver­bund beob­ach­te­ten die Astro­no­men die Hei­mat­ga­la­xie bei zwei sorg­fäl­tig aus­ge­wähl­ten Submillimeter-Wellenlängen.

Mit Submillimeterlicht zu Sternentstehung und Staubgehalt

Die ers­te Art von Licht heißt in der Astro­no­mie [CII]-Linie. Sol­ches Licht ent­steht in Mole­kül­wol­ken, in denen gera­de neue Ster­ne ent­ste­hen. Aus der Hel­lig­keit jener Linie kann man daher auf die Stern­ent­ste­hungs­ra­te einer Gala­xie schließen.

Das Licht ermög­licht zudem eine Mas­sen­schät­zung: Die meis­ten von uns haben schon direkt erlebt, wie sich das Tatü-Tata eines Ein­satz­fahr­zeugs ver­än­dert, wenn das Fahr­zeug an uns vor­bei­fährt. Bewe­gung beein­flusst die Wel­len­län­ge von Wel­len. In einer Art Umkehr­schluss kön­nen die Astro­no­men aus der Form der [CII]-Linie rekon­stru­ie­ren, wie sich das Gas in der betref­fen­den Gala­xie bewegt. Das wie­der­um erlaubt eine Abschät­zung der Mas­se jener Galaxie.

Die zwei­te Art von Sub­mil­li­me­ter-Licht, die Bel­la­dit­ta und ihre Kol­le­gen unter­sucht haben, ist die Wär­me­strah­lung des kal­ten Staubs in einer Gala­xie. Die Inten­si­tät die­ses Lichts lässt Rück­schlüs­se dar­auf zu, mit wie viel Staub wir es in jener Gala­xie zu tun haben. Die Men­ge an Staub wie­der­um hängt typi­scher­wei­se mit der Men­ge an mole­ku­la­rem Was­ser­stoff in einer Gala­xie zusam­men, dem Aus­gangs­ma­te­ri­al für die Stern­ent­ste­hung – und die Beob­ach­tun­gen zei­gen, dass jene Gala­xie offen­bar viel Staub und damit mole­ku­la­ren Was­ser­stoff besitzt!
Die Stern­ent­ste­hungs­ra­te rekonstruieren

Aus ihren Beob­ach­tun­gen konn­ten Bel­la­dit­ta und ihren Kol­le­gen wich­ti­ge Eigen­schaf­ten der Gala­xie rekon­stru­ie­ren, in der sich der Qua­sar befin­det. In jener Gala­xie ent­ste­hen offen­bar jedes Jahr neue Ster­ne mit einer Gesamt­mas­se von mehr als 250 Son­nen­mas­sen pro Jahr. Im Ver­gleich mit rund einer Son­nen­mas­se an neu­en Ster­nen pro Jahr in unse­rer Milch­stra­ße ist das viel. Die hohe Stern­ent­ste­hungs­ra­te kommt ange­sichts frü­he­rer Beob­ach­tun­gen an weni­ger weit ent­fern­ten Qua­sa­ren aber nicht uner­war­tet. Die Mas­se der Gala­xie ergibt sich zu rund zehn Mil­li­ar­den Son­nen­mas­sen. Das ist rund ein Zehn­tel der Mas­se unse­rer Milch­stra­ße, und passt zu einer frü­hen Gala­xien, die den Groß­teil ihres Wachs­tums erst noch vor sich hat.

Sil­via Bel­la­dit­ta, Post­dok­to­ran­din am MPIA, Haupt­au­to­rin der Stu­die und neue Co-Lei­te­rin der Qua­sar-Arbeits­grup­pe von Euclid, sagt: „Wir haben eine Gala­xie gefun­den, die alle Zuta­ten dafür besitzt, ein­mal zu einem wirk­lich gro­ßen Exem­plar zu wer­den: Sie ist so mas­se­reich wie die Hei­mat­ga­la­xien der hells­ten frü­hen Qua­sa­re, und sie ent­hält ein rie­si­ges Reser­voir an mole­ku­la­rem Gas, das inten­si­ve Stern­ent­ste­hung ermög­licht. Das eröff­net eine fas­zi­nie­ren­de Mög­lich­keit: UV-schwa­che Qua­sa­re wie EUCL J125308.55+705432.3 befin­den sich mög­li­cher­wei­se in einerm ande­ren Ent­wick­lungs­sta­di­um als ihre leucht­kräf­ti­ge­ren Ver­wand­ten. Ent­we­der wächst das Schwar­ze Loch bei ihnen lang­sa­mer als bei den hells­ten Qua­sa­ren, oder aber ein Groß­teil ihrer Akti­vi­tät ist hin­ter dich­ten Staub­wol­ken ver­bor­gen. Wel­che die­ser Mög­lich­kei­ten zutrifft, müs­sen wir jetzt mit Hil­fe zukünf­ti­ger Beob­ach­tun­gen herausfinden.“

Zukunftspläne

Für unser Gesamt­bild der Gala­xien­ent­wick­lung sind das ein­zel­ne Puz­zle­tei­le, aber es sind durch­aus wich­ti­ge Puz­zle­tei­le, die den Astro­no­men zudem sagen, was es als Nächs­tes zu unter­su­chen gilt. Die voll­stän­di­ge, auf sechs Jah­re ange­leg­te Him­mels­durch­mus­te­rung mit Euclid dürf­te Hun­der­te wei­te­rer frü­her Qua­sa­re die­ser Art fin­den. Fol­ge­be­ob­ach­tun­gen wie die von Bel­la­dit­ta und ihren Kol­le­gen wer­den dazu jeweils Infor­ma­tio­nen über Stern­ent­ste­hungs­ra­ten und Gala­xien­mas­sen lie­fern. Damit dürf­te nach und nach ein immer voll­stän­di­ge­res Bild der frü­hes­ten Gala­xien und super­mas­se­rei­chen Schwar­zen Löcher im Uni­ver­sum ent­ste­hen. Ent­spre­chend detail­rei­cher dürf­te unser Bild von der Ent­ste­hung und Ent­wick­lung der frü­hes­ten Gala­xien – und damit einer wich­ti­gen Vor­aus­set­zung für unse­re eige­ne Exis­tenz – werden.

MP

Hintergrundinformationen

Die hier beschrie­be­nen Ergeb­nis­se wur­den ver­öf­fent­licht als Bel­la­dit­ta et al. „Euclid: A UV-faint qua­sar in a high­ly lumi­nous star-forming host gala­xy at z≈7.7“ in der Fach­zeit­schrift Astro­no­my & Astro­phy­sics. Die Ergeb­nis­se der Euclid-Qua­sar-Suche wur­den ver­öf­fent­licht als D. Yang et al., „Euclid: Dis­co­very of 31 new qua­sars at 6.6 < z < 7.8“ in der Fach­zeit­schrift Astro­no­my & Astro­phy­sics.

Die betei­lig­ten Wis­sen­schaft­ler des MPIA sind Sil­via Bel­la­dit­ta, Edu­ar­do Bana­dos, Fabi­an Wal­ter, Knud Jahn­ke, Sarah Bos­man, Juli­en Wolf und Mischa Schirm­er in Zusam­men­ar­beit mit Rober­to Decar­li (INAF-Obser­va­to­ri­um, Bolo­gna), Daming Yang (Stern­war­te Lei­den), Fran­ces­co Guar­ne­ri (Uni­ver­si­tät Ham­burg) und dem Rest der Euclid-Kollaboration.

Euclid ist eine Mis­si­on der ESA, die die Eigen­schaf­ten von dunk­ler Ener­gie und dunk­ler Mate­rie über die gesam­te bis­he­ri­ge kos­mi­sche Geschich­te hin­weg ver­mes­sen soll. Seit dem Start des Welt­raum­te­le­skops im Jah­re 2023 ist Euclid dabei, rund ein Drit­tel des Him­mels zu durch­mus­tern, Bil­der von zwei Mil­li­ar­den Gala­xien auf­zu­neh­men und die genau­en Ent­fer­nun­gen von rund 50 Mil­lio­nen Gala­xien zu bestim­men. Die ers­te gro­ße Daten­ver­öf­fent­li­chung von Euclid, DR1, wird der inter­na­tio­na­len wis­sen­schaft­li­chen Com­mu­ni­ty im Novem­ber 2026 Daten zu einer Flä­che von fast 2000 Qua­drat­grad lie­fern. Das Max-Planck-Insti­tut für Astro­no­mie (MPIA) ist Grün­dungs­mit­glied des Euclid-Kon­sor­ti­ums, einer Grup­pe von mitt­ler­wei­le mehr als 150 Insti­tu­tio­nen in Euro­pa, Kana­da, Japan und den USA. Wäh­rend der Bau­pha­se hat das MPIA Hard­ware für das Nahin­fra­rot-Instru­ment an Bord von Euclid bei­gesteu­ert. Aktu­ell sind Wis­sen­schaft­ler des MPIA am Betrieb des Welt­raum­te­le­skops betei­ligt und lei­ten die gesam­ten Kali­brie­rungs­ar­bei­ten für Euclid.

Link zur Pres­se­mit­tei­lung des MPIA