Kompakte, verborgene Galaxien im fernen Universum: Auf der Suche nach den Geheimnissen hinter den kleinen roten Punkten

Astronomen, die mit dem James-Webb-Weltraumteleskop, dem leistungsstärksten Teleskop der NASA, das ferne Universum erforschen, haben eine Galaxienklasse entdeckt, die selbst die geschicktesten Nachahmungsgeschöpfe wie den Nachahmer-Oktopus herausfordert. Diese Kreatur kann sich als andere Meerestiere ausgeben, um Raubtieren auszuweichen. Muss man ein Plattfisch sein? Kein Problem. Eine Seeschlange? Einfach.

Als Astronomen die ersten Webb-Bilder von entlegenen Regionen des Universums analysierten, entdeckten sie eine Gruppe von Galaxien, die noch nie zuvor beobachtet worden waren. Diese Galaxien, deren Zahl einige Hundert beträgt und die als „Kleine Rote Flecken“ bezeichnet werden, sind sehr rot und kompakt und erst seit etwa einer Milliarde Jahren kosmischer Geschichte sichtbar. Wie der Nachahmer-Oktopus faszinieren Little Red Dots Astronomen, weil sie verschiedenen astrophysikalischen Objekten ähneln. Hierbei handelt es sich entweder um sehr schwere oder mittelgroße Galaxien, in deren Kern sich jeweils ein supermassereiches Schwarzes Loch befindet.

Eines ist jedoch sicher: Der typische kleine rote Punkt ist klein und hat einen Radius von nur 2 % des Radius der Milchstraße. Manche sind sogar noch kleiner.

Als Astrophysiker, der ferne Galaxien und Schwarze Löcher untersucht, interessiere ich mich für die Natur dieser kleinen Galaxien. Was treibt ihr Licht an und was sind sie wirklich?

Der Nachahmungswettbewerb

Astronomen analysieren das Licht, das unsere Teleskope von fernen Galaxien empfangen, um deren physikalische Eigenschaften zu bewerten, beispielsweise die Anzahl der darin enthaltenen Sterne. Wir können die Eigenschaften ihres Lichts nutzen, um die kleinen roten Punkte zu untersuchen und festzustellen, ob sie aus vielen Sternen bestehen oder ein Schwarzes Loch enthalten.

Die Wellenlänge des Lichts, das unsere Teleskope erreicht, reicht von langen Radiowellen bis hin zu energiereichen Gammastrahlen. Astronomen zerlegen Licht in verschiedene Frequenzen und visualisieren sie mithilfe eines Diagramms, das Spektrum genannt wird.

Manchmal enthält das Spektrum Emissionslinien, die Frequenzbereichen entsprechen, in denen eine intensivere Lichtemission auftritt. In diesem Fall können wir anhand der Form des Spektrums vorhersagen, ob die Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch beherbergt, und dessen Masse abschätzen.

Ebenso kann die Untersuchung der Röntgenemissionen der Galaxie das Vorhandensein eines supermassiven Schwarzen Lochs aufdecken.

Als ultimative Meister der Tarnung erscheinen die kleinen roten Punkte als unterschiedliche astrophysikalische Objekte, je nachdem, ob Astronomen sie mithilfe von Röntgenstrahlen, Emissionslinien oder etwas anderem untersuchen.

Die bisher von Astronomen aus den Spektren und Emissionslinien der kleinen roten Punkte gesammelten Informationen haben es ermöglicht, zwei unterschiedliche Modelle zur Erklärung ihrer Natur zu erstellen. Bei diesen Objekten handelt es sich entweder um extrem dichte Galaxien mit Milliarden von Sternen oder um supermassereiche Schwarze Löcher.

Die beiden Hypothesen

Unter der Annahme, dass Sterne die einzigen wären, würden die Little Red Dots eine beträchtliche Anzahl von Sternen enthalten, bis zu 100 Milliarden Sterne. Das ist ungefähr die gleiche Anzahl an Sternen wie in der Milchstraße, einer viel größeren Galaxie.

Stellen Sie sich vor, Sie wären allein in einem riesigen, leeren Raum. Dieser riesige, ruhige Raum stellt die Region des Universums dar, die sich in der Nähe unseres Sonnensystems befindet und in der die Sterne nur spärlich verstreut sind. Stellen Sie sich nun denselben Raum vor, aber gefüllt mit der gesamten Bevölkerung Chinas.

In diesem überfüllten Raum würde der Kern der dichtesten kleinen roten Punkte aussehen. Diese astrophysikalischen Objekte könnten die dichtesten Sternumgebungen im gesamten Universum sein. Astronomen sind sich nicht einmal sicher, ob solche Sternsysteme physisch existieren könnten.

Dann gibt es noch die Hypothese des Schwarzen Lochs. Die meisten der kleinen roten Punkte zeigen deutliche Anzeichen für die Anwesenheit eines supermassiven Schwarzen Lochs in ihrem Zentrum. Astronomen können feststellen, ob es in der Galaxie ein Schwarzes Loch gibt, indem sie die breiten Emissionslinien in ihrem Spektrum beobachten, die durch das mit hoher Geschwindigkeit wirbelnde Gas um das Schwarze Loch erzeugt werden.

Tatsächlich glauben Astronomen, dass diese Schwarzen Löcher im Vergleich zur Größe ihrer kompakten Muttergalaxien zu massiv sind.

Schwarze Löcher haben typischerweise eine Masse von etwa 0,1 % der Sternmasse ihrer Muttergalaxie. Aber einige dieser kleinen roten Punkte beherbergen ein Schwarzes Loch, das fast so massereich ist wie ihre gesamte Galaxie. Astronomen nennen sie supermassive Schwarze Löcher, weil ihre Existenz dem herkömmlichen Verhältnis widerspricht, das normalerweise in Galaxien beobachtet wird.

Es gibt jedoch noch ein anderes Problem. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Schwarzen Löchern zeigen diejenigen, von denen angenommen wird, dass sie in den Kleinen Roten Flecken vorhanden sind, keine Anzeichen dafür, dass sie Röntgenstrahlen aussenden. Selbst in den tiefsten, hochenergetischen Bildern, die verfügbar sind, wo Astronomen in der Lage sein sollten, diese Schwarzen Löcher leicht zu beobachten, finden wir keine Spur von ihnen.

Wenige Lösungen und viele Hoffnungen

Sind diese astrophysikalischen Kuriositäten massive Galaxien mit zu vielen Sternen? Oder beherbergen sie in ihrem Zentrum supermassereiche Schwarze Löcher, die zu massereich sind und nicht genügend Röntgenstrahlung aussenden? Was für ein Rätsel.

Dank neuer Beobachtungen und theoretischer Modellierung beginnen Astronomen, mögliche Lösungen vorzuschlagen. Vielleicht sind die kleinen roten Punkte nur Sterne, aber diese Sterne sind so dicht und kompakt, dass sie die Emissionslinien nachahmen, die man normalerweise von einem Schwarzen Loch sieht.

Oder vielleicht verstecken sich supermassereiche oder sogar supermassereiche Schwarze Löcher im Herzen dieser kleinen roten Punkte. Wenn dies der Fall ist, können zwei Modelle das Fehlen von Röntgenemission erklären.

Erstens könnten große Mengen Gas um das Schwarze Loch herumschweben, was einen Teil der hochenergetischen Strahlung blockieren würde, die vom Zentrum des Schwarzen Lochs ausgeht. Zweitens könnte das Schwarze Loch viel schneller Gas ansaugen als gewöhnlich. Dieser Prozess würde ein anderes Spektrum mit weniger Röntgenstrahlen erzeugen, als Astronomen normalerweise sehen.

Die Tatsache, dass Schwarze Löcher zu groß oder übermassiv sind, stellt möglicherweise kein Problem für unser Verständnis des Universums dar, sondern ist vielmehr der beste Hinweis darauf, wie die ersten Schwarzen Löcher im Universum entstanden sind. Wenn die ersten Schwarzen Löcher, die sich bildeten, tatsächlich sehr massiv waren – etwa das 100.000-fache der Masse der Sonne – deuten theoretische Modelle darauf hin, dass ihr Verhältnis der Masse des Schwarzen Lochs zur Masse der Wirtsgalaxie noch lange nach ihrer Ausbildung hoch bleiben könnte .

Wie können Astronomen die wahre Natur dieser kleinen Lichtpunkte entdecken, die zu Beginn der Zeit leuchten? Wie bei unserem Meister der Verkleidung, dem Oktopus, liegt das Geheimnis in der Beobachtung seines Verhaltens.

Die Verwendung des Webb-Teleskops und leistungsstärkerer Röntgenteleskope für zusätzliche Beobachtungen wird schließlich ein Merkmal aufdecken, das Astronomen nur einem von zwei Szenarien zuordnen können.

Wenn Astronomen beispielsweise eindeutig Röntgen- oder Radioemissionen oder Infrarotlicht erkennen würden, das rund um den Standort des Schwarzen Lochs emittiert wird, wüssten sie, dass die Hypothese des Schwarzen Lochs richtig ist.

So wie unser Seemannsfreund vorgeben kann, ein Seestern zu sein, wird er irgendwann seine Tentakel bewegen und seine wahre Natur offenbaren.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.