Zwei Teams blickten tief in Raum und Zeit und untersuchten mithilfe des NASA/ESA/CSA-Weltraumteleskops James Webb die außergewöhnlich helle Galaxie GN-z11, die existierte, als unser 13,8 Milliarden Jahre altes Universum erst etwa 430 Millionen Jahre alt war. Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Lukas Furtak und Adi Zitrin von der Ben-Gurion-Universität des Negev untersuchte außerdem JWST-Daten und konnte auch die Masse des supermassereichen Schwarzen Lochs bestimmen. Mit etwa der 40-Millionen-fachen Masse der Sonne ist er im Vergleich zu der Galaxie, in der er sich befindet, unerwartet massereich.
Das James Webb-Weltraumteleskop erfüllt sein Versprechen, unser Verständnis des frühen Universums zu verändern, und erforscht die Galaxien des Anfangs der Zeit. Eine davon ist die außergewöhnlich helle Galaxie GN-z11. Sie wurde ursprünglich vom NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble entdeckt und ist eine der jüngsten und am weitesten entfernten Galaxien, die jemals beobachtet wurden, und sie ist auch eine der mysteriösesten. Warum ist sie so hell? Webb scheint die Antwort gefunden zu haben, berichtet die Zeitschrift Astronomy & Astrophysics.
Das Team, das GN-z11 mit Webb untersucht, hat den ersten klaren Beweis dafür gefunden, dass die Galaxie ein zentrales supermassereiches Schwarzes Loch beherbergt, das schnell Materie ansammelt. Ihre Entdeckung macht es zum am weitesten entfernten aktiven supermassiven Schwarzen Loch, das bisher entdeckt wurde.
GN-z11 im GOODS-Nord-Feld
„Wir haben extrem dichtes Gas entdeckt, das häufig in der Nähe von Gas akkretierenden supermassiven Schwarzen Löchern vorkommt“, erklärte der Hauptforscher Roberto Maiolino vom Cavendish Laboratory und dem Kavli Institute of Cosmology an der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich. „Dies waren die ersten klaren Hinweise darauf, dass GN-z11 ein Materie verschlingendes Schwarzes Loch enthält.“
Mithilfe von Webb fand das Team auch Signaturen ionisierter chemischer Elemente, die typischerweise in der Nähe von akkretierenden supermassereichen Schwarzen Löchern beobachtet werden. Darüber hinaus entdeckten sie, dass die Galaxie sehr starke Winde aussendet. Solche Hochgeschwindigkeitswinde werden typischerweise durch Prozesse verursacht, die mit der energetischen Akkretion supermassereicher Schwarzer Löcher einhergehen.
„Webbs NIRCam (Nahinfrarotkamera) entdeckte eine ausgedehnte Komponente, die die Heimatgalaxie verfolgt, und eine zentrale kompakte Quelle, deren Farben mit denen der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch übereinstimmen“, sagte Forscherin Hannah Uebler, ebenfalls vom Cavendish Laboratory und dem Kavli Institute .
Zusammengenommen zeigen diese Daten, dass GN-z11 ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von zwei Millionen Sonnenmassen enthält, das sich in einer sehr aktiven Phase der Absorption von Materie befindet und deshalb so hell ist.
Spektrum GN-z11
Das zweite Team, ebenfalls unter der Leitung von Maiolino, nutzte Webbs NIRSpec (Nahinfrarot-Spektrograph), um einen Heliumgasklumpen im Halo um GN-z11 zu entdecken.
„Die Tatsache, dass wir nichts anderes als Helium sehen, legt nahe, dass dieser Klumpen ziemlich rein sein muss“, sagte Roberto. „Das ist es, was Theorie und Modellierung in der Umgebung besonders massereicher Galaxien aus diesen Epochen erwartet haben – dass es in den Halos Taschen aus reinem Gas geben sollte, die kollabieren und Sternhaufen der Population III bilden könnten.“
Die Suche nach bisher unbeobachteten Sternen der Population III – der ersten Generation von Sternen, die fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium besteht – ist eine der wichtigsten Aufgaben der modernen Astrophysik. Es wird erwartet, dass diese Sterne sehr massereich, sehr leuchtend und sehr heiß sind. Ihre Signatur wird das Vorhandensein von ionisiertem Helium und das Fehlen chemischer Elemente sein, die schwerer als Helium sind.
Die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien markiert einen grundlegenden Wandel in der Geschichte des Kosmos, in dessen Verlauf sich das Universum von einem dunklen und relativ einfachen Zustand zu der hochstrukturierten und komplexen Umgebung entwickelte, die wir heute sehen.
In zukünftigen Beobachtungen werden Webb, Roberto, Hanna und ihr Team GN-z11 detaillierter untersuchen und hoffen, das Vorhandensein von Sternen der Population III zu bestätigen, die sich möglicherweise in seinem Halo bilden.
Der Name „Population III“ entstand, weil Astronomen die Sterne der Milchstraße bereits in Population I (Sterne wie die Sonne, die reich an schwereren Elementen sind) und Population II (ältere Sterne mit geringer Häufigkeit schwerer Elemente im Bulge) eingeteilt hatten Halo der Milchstraße sowie in Kugelsternhaufen).
Das supermassive Schwarze Loch ist 40 Millionen Mal massereicher als die Sonne und treibt einen Quasar an, der 700 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) haben Astronomen ein „extrem rotes“ supermassereiches Schwarzes Loch entdeckt, das im dunklen frühen Universum wächst, berichtet die Zeitschrift Nature.
Der rote Farbton eines supermassereichen Schwarzen Lochs, wie er etwa 700 Millionen Jahre nach dem Urknall erschien, ist ein Ergebnis der Expansion des Universums. Während sich das Universum in alle Richtungen ausdehnt, wird das auf uns zuströmende Licht „rotverschoben“, und in diesem Fall deutet das rotverschobene Licht auf eine Hülle aus dickem Gas und Staub hin, die das Schwarze Loch umhüllt.
Eine künstlerische Darstellung eines supermassiven Schwarzen Lochs und seines mächtigen Jets. Astronomen wollen wissen, wie diese Objekte im frühen Universum ihre enormen Massen erreichten. NRAO/AUI/NSF
Durch die Untersuchung von JWST-Daten konnte ein Team von Astronomen unter der Leitung von Lukas Furtak und Adi Zitrin von der Ben-Gurion-Universität des Negev auch die Masse des supermassereichen Schwarzen Lochs bestimmen. Mit etwa der 40-Millionen-fachen Masse der Sonne ist er im Vergleich zu der Galaxie, in der er sich befindet, unerwartet massereich.
Das Team entdeckte außerdem, dass das supermassereiche Schwarze Loch, das etwa 12,9 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt liegt, schnell Gas und Staub um sich herum verschlingt. Mit anderen Worten: Es wächst.
„Wir waren sehr aufgeregt, als JWST mit der Übermittlung der ersten Daten begann. „Wir haben die eingehenden Daten für das UNCOVER-Programm gescannt und drei sehr kompakte, aber leuchtend rote Objekte stachen hervor und erregten unsere Aufmerksamkeit“, sagte Furtak in einer Erklärung. „Ihre ‚rote Punkt‘-Erscheinung ließ uns sofort vermuten, dass es sich um ein Quasar-ähnliches Objekt handelte.“
Quasare entstehen, wenn riesige Mengen an Materie supermassereiche Schwarze Löcher wie dieses umgeben. Diese Materie bildet eine Scheibe aus Gas und Staub, eine sogenannte Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch nach und nach speist. Die enorme Anziehungskraft des Schwarzen Lochs vermischt diese Materie, erzeugt hohe Temperaturen und bringt sie zum Leuchten.
Darüber hinaus wird Materie, die nicht in das supermassereiche Schwarze Loch fällt, in Richtung der Pole des kosmischen Titanen gelenkt. Teilchen in diesen Regionen werden in Form hochkollimierter Jets auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Beim Ausstoß dieser relativistischen Jets werden die Eruptionen von hellen elektromagnetischen Emissionen begleitet.
Die Abbildung zeigt ein extrem rotes supermassereiches Schwarzes Loch im frühen Universum. Robert Lee
Als Folge dieser Phänomene werden Quasare, die von supermassereichen Schwarzen Löchern in aktiven Galaxienkernen (AGNs) angetrieben werden, oft so hell, dass das von ihnen emittierte Licht oft das kombinierte Licht aller Sterne in der sie umgebenden Galaxie überstrahlt.
Die enorme Strahlungsmenge, die um dieses supermassive Schwarze Loch herum emittiert wird, ließ es in den JWST-Daten als kleiner Punkt erscheinen.
„Die Analyse der Farben des Objekts zeigte, dass es sich nicht um eine typische Sternentstehungsgalaxie handelt. Dies bestätigte die Hypothese eines supermassiven Schwarzen Lochs weiter“, sagte Rachel Bezanson von der University of Pittsburgh und Co-Direktorin des UNCOVER-Programms in einer Erklärung. „In Kombination mit seiner kompakten Größe wurde deutlich, dass es sich höchstwahrscheinlich um ein supermassereiches Schwarzes Loch handelte, auch wenn es sich immer noch von anderen Quasaren unterschied, die in dieser frühen Zeit entdeckt wurden.“
Der frühe Quasar wäre selbst mit dem leistungsstarken Infrarotinstrument des JWST nicht sichtbar gewesen, ohne ein wenig Hilfe durch einen von Albert Einstein 1915 vorhergesagten Effekt.
Einsteins allgemeine Relativitätstheorie legt nahe, dass Objekte mit großer Masse das eigentliche Gefüge von Raum und Zeit verformen, die tatsächlich zu einer einzigen Einheit namens „Raumzeit“ vereint sind. Die Theorie besagt weiter, dass durch diese Krümmung die Schwerkraft entsteht. Je größer die Masse eines Objekts ist, desto „extremer“ ist die Krümmung der Raumzeit.
Diese Krümmung sagt den Planeten also nicht nur, wie sie sich um ihre Sterne und die Zentren ihrer Heimatgalaxien bewegen sollen, sondern verändert auch die Wege des Lichts, das von diesen Sternen kommt.
Je näher sich Licht einem Massenobjekt nähert, desto „gekrümmter“ ist sein Weg. Verschiedene Lichtwege von einem einzelnen Hintergrundobjekt können somit durch das Vordergrund- oder „Linsenobjekt“ gebogen werden und das Erscheinungsbild des Layouts des Hintergrundobjekts verändern. Manchmal kann der Effekt sogar dazu führen, dass ein Hintergrundobjekt an mehreren Stellen im selben Himmelsbild erscheint. In anderen Fällen wird das Licht eines Hintergrundobjekts einfach verstärkt, wodurch das Objekt größer erscheint. Dieses Phänomen ist als „Gravitationslinseneffekt“ bekannt.
Im letzteren Fall verwendete JWST einen Galaxienhaufen namens Abell 2744 als Vordergrundlinsenkörper, um das Licht von Hintergrundgalaxien zu verstärken, die sonst zu weit entfernt wären, um gesehen zu werden. Dadurch wurde der extrem rote Quasar, auf den sie sich konzentrierten, zunächst in Form von drei roten Punkten sichtbar.
Das Diagramm zeigt, wie Licht von einem Hintergrundobjekt durch ein Vordergrundobjekt gebrochen wird. NASA/ESA
„Wir haben ein numerisches Linsenmodell verwendet, das wir für einen Galaxienhaufen erstellt haben, um zu bestimmen, dass die drei roten Punkte mehrere Bilder derselben Hintergrundquelle sein müssen, die beobachtet wurde, als das Universum erst etwa 700 Millionen Jahre alt war“, sagte Zitrin.
Eine weitere Analyse der Hintergrundquelle ergab, dass ihr Licht aus einer kompakten Region stammen musste.
„Das gesamte Licht dieser Galaxie muss in eine winzige Region von der Größe eines modernen Sternhaufens passen. Durch die Gravitationslinsenwirkung der Quelle konnten wir die Größe genau bestimmen“, sagte Teammitglied und Forscherin der Princeton University, Jenny Green, in einer Erklärung. „Selbst wenn man alle möglichen Sterne in einer so kleinen Region zusammenpacken würde, würde das Schwarze Loch am Ende mindestens 1 % der Gesamtmasse des Systems ausmachen.“
Die Entdeckung vertieft das Rätsel, wie supermassereiche Schwarze Löcher, die Millionen (oder sogar Milliarden) Mal massereicher als die Sonne sein können, während der Geburt des Universums zu so enormen Größen heranwuchsen.
„Es wurde nun festgestellt, dass mehrere andere supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum ein ähnliches Verhalten zeigen, was zu einigen faszinierenden Erkenntnissen über das Wachstum des Schwarzen Lochs und der Muttergalaxie sowie über die Wechselwirkungen zwischen ihnen führt, die noch nicht gut verstanden sind.“ sagte Green.
JWST hat im Laufe der Zeit viele „kleine rote Punkte“ entdeckt. Sie könnten auch darauf hindeuten, dass supermassive Schwarze Löcher durch Quasare im frühen Universum gespeist werden, was bedeuten könnte, dass das erstaunliche Rätsel des Wachstums von Schwarzen Löchern bald gelöst werden könnte.
„In gewisser Weise ist dies das astrophysikalische Äquivalent des Henne-Ei-Problems“, schlussfolgerte Zitrin. „Wir wissen derzeit nicht, was zuerst da war, die Galaxie oder das Schwarze Loch, wie massiv die ersten Schwarzen Löcher waren oder wie sie wuchsen.“