Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) hat das Licht von Sternen beobachtet, die einige der ehemaligen supermassiven Schwarzen Löcher des Universums umgeben, wobei es sich um Schwarze Löcher handelt, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall entstanden sind.
Beobachtungen eines Teams des Massachusetts Institute of Technology (MIT) befassen sich mit der Frage, wie diese kosmischen Riesen in den Kernen von Galaxien zu gewaltigen Massen heranwachsen, die Millionen (manchmal Milliarden) Sonnen entsprechen. Genauer gesagt, wie ist es so schnell gewachsen? Die Ergebnisse könnten auch die Frage beantworten: Was war zuerst da, die Galaxie oder das supermassereiche Schwarze Loch?
Die vom MIT-Team beobachteten supermassiven Schwarzen Löcher ernähren sich unersättlich von der sie umgebenden Materie und erzeugen enorme Gezeitenkräfte in einer Materiescheibe, die Akkretionsscheibe genannt wird, was die Scheibe selbst zum Leuchten bringt. Dieser Ernährungszustand treibt Objekte namens Quasare an, die sich im Herzen aktiver Galaxien befinden. Quasare gehören zu den hellsten Objekten im Universum, und einige sind so hell, dass sie das kombinierte Licht aller Sterne in den sie umgebenden Galaxien überstrahlen.
Supermassive Schwarze Löcher sind ebenfalls voller Geheimnisse, insbesondere wenn man sie eine Milliarde Jahre vor der 13,8 Milliarden Jahre alten Geschichte des Universums betrachtet. Dies liegt daran, dass der Prozess der kontinuierlichen Verschmelzung von Schwarzen Löchern, von dem Wissenschaftler glauben, dass supermassereiche Schwarze Löcher mit der Zeit wachsen, mehrere Milliarden Jahre dauern muss, bis er beginnt. Wie konnten diese riesigen Hohlräume also nur etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existieren?
Nun, eine Vermutung ist, dass sie einen Vorsprung hatten und sich aus sogenannten „Heavy Seed“-Schwarzen Löchern bildeten.
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Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops zur Beobachtung schwachen Lichts von Sternen in Galaxien, die sechs alte Quasare beherbergen, hat das MIT-Team zum ersten Mal Beweise dafür gesammelt, dass supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum tatsächlich aus schweren Keimen entstanden sind.
„Diese Schwarzen Löcher sind milliardenfach massereicher als die Sonne, und das zu einer Zeit, in der das Universum noch in den Kinderschuhen steckt“, sagte Anna-Christina Ehlers, Teammitglied und Assistenzprofessorin für Physik am MIT. Das sagte er in einer Erklärung. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass supermassive Schwarze Löcher im frühen Universum möglicherweise vor ihren Wirtsgalaxien an Masse zugenommen haben und dass die Urkeime Schwarzer Löcher möglicherweise massereicher waren als heute.“
Was war zuerst da? Schwarzes Loch oder seine Galaxie?
Nachdem man Quasare in den 1960er-Jahren entdeckt hatte, ging man zunächst davon aus, dass ihre intensive Helligkeit von einem einzigen sternähnlichen Punkt ausgeht. Daraus entstand der Name „Quasar“, der eine Übersetzung des Begriffs „Quasar“-Objekt ist. Forscher entdeckten jedoch bald, dass Quasare tatsächlich durch die Ansammlung riesiger Mengen an Materie in supermassiven Schwarzen Löchern entstehen, die sich im Kern von Galaxien befinden.
Allerdings sind diese Objekte auch von Sternen umgeben, die viel schwächer und schwieriger zu beobachten sind. Dies liegt daran, dass dieses Sternlicht durch das hellere Licht des Quasars, um den der Stern kreist, ausgewaschen wird. Daher ist es nicht einfach, das Licht der Quasare und das Licht der umgebenden Sterne zu trennen. Es ist, als würde man das Licht von Glühwürmchen sehen, die etwa eine Meile entfernt auf einer Leuchtturmlampe sitzen.
Die Fähigkeit des James Webb-Weltraumteleskops, weiter in die Vergangenheit zu reisen als jedes andere Teleskop zuvor, sowie seine hohe Empfindlichkeit und Auflösung machten diese Herausforderung jedoch weniger entmutigend. So konnte das MIT-Team vor etwa 13 Milliarden Jahren beobachten, wie Licht von sechs Quasaren in alten Galaxien zur Erde wanderte.
„Der Quasar überstrahlt die Heimatgalaxie um viele Größenordnungen. Frühere Bilder waren nicht scharf genug, um die Form der Heimatgalaxie mit all ihren Sternen zu erkennen“, sagte Teammitglied Minghao Yu, Postdoktorand am Kavli Institute for Astrophysics and Space des MIT Forschung. Er sagte. „Jetzt sind wir zum ersten Mal in der Lage, das Licht dieser Sterne zu erkennen, indem wir sorgfältig die schärfsten JWST-Bilder dieser Quasare erstellen.“
Die JWST-Daten umfassten Messungen der Lichtemissionen jedes der sechs Quasare über einen Bereich von Wellenlängen. Diese Informationen wurden dann in ein Computermodell eingespeist, das detailliert darlegte, wie viel von diesem Licht einer kompakten Punktquelle – der Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch – und wie viel einer diffuseren Quelle – in der Galaxie verstreuten Sternen – zugeschrieben werden konnte .
Durch die Aufteilung des Lichts in zwei Quellen konnte das Team auch auf die Massen beider Elemente in diesen Galaxien schließen. Dies ergab, dass supermassereiche Schwarze Löcher eine Masse haben, die etwa 10 % der Masse der sie umgebenden Sterne entspricht.
Während dies wie ein großes Ungleichgewicht zugunsten der Sterne erscheinen mag, bedenken Sie, dass zentrale supermassereiche Schwarze Löcher in modernen Galaxien nur eine Masse von 0,1 % der Masse der Sterne in den sie umgebenden Galaxien haben.
„Das verrät uns etwas darüber, was zuerst wächst: Ist es das Schwarze Loch, das zuerst wächst, und dann folgt die Galaxie? Oder sind es die Galaxie und ihre Sterne, die zuerst wachsen und das Wachstum des Schwarzen Lochs dominieren und regulieren?“ sagte Ehlers. „Wir sehen, dass Schwarze Löcher im frühen Universum offenbar schneller wachsen als ihre Muttergalaxien.
„Dies ist ein vorläufiger Beweis dafür, dass die ursprünglichen Samen des Schwarzen Lochs zu dieser Zeit viel größer gewesen sein könnten.“
„Nachdem das Universum erschien, gab es urzeitliche Schwarze Löcher, die dann Materie verbrauchten und in sehr kurzer Zeit wuchsen. Eine der großen Fragen ist zu verstehen, wie diese riesigen Schwarzen Löcher so groß und so schnell werden konnten“, schloss Yu. „Es muss einen Mechanismus geben, der dafür sorgt, dass das Schwarze Loch in den ersten Milliarden Jahren früher an Masse gewinnt als seine Heimatgalaxie.
„Es ist sozusagen der erste Beweis, den wir dafür sehen, und das ist aufregend.“
Die Ergebnisse des Teams werden in veröffentlicht Astrophysikalisches Journal.
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