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Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops haben Astronomen 13 Milliarden Jahre zurückgegangen und überraschend einsame, supermassereiche Quasare entdeckt, die von Schwarzen Löchern angetrieben werden.
Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) sind verwirrend, da isolierte Schwarze Löcher voraussichtlich Schwierigkeiten haben werden, genug Masse anzusammeln, um den Supermassiv-Status zu erreichen, insbesondere nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Diese Entdeckung verwirrt die Frage zusätzlich, wenn es darum geht zu verstehen, wie bestimmte Schwarze Löcher Massen erreichten, die Millionen oder sogar Milliarden von Sonnen entsprachen, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war.
Diese Entdeckungen kamen, nachdem ein Team von Wissenschaftlern mithilfe von JWST die Umgebung von fünf der frühesten bekannten Quasare untersuchte, die sich bildeten, als der Kosmos zwischen 600 und 700 Millionen Jahre alt war. Das Team stellte fest, dass die Umgebung dieser Quasare, sogenannte „Quasarfelder“, überraschend vielfältig war. Bei einigen handelte es sich um von Wissenschaftlern vorhergesagte dicht besiedelte Umgebungen, bei anderen handelte es sich jedoch um dünn besiedelte „leere Speisekammern“, die das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher kaum vorantreiben würden.
„Im Gegensatz zu dem, was bisher angenommen wurde, stellen wir fest, dass diese Quasare im Durchschnitt nicht unbedingt in den dichtesten Regionen des frühen Universums zu finden sind. Einige von ihnen scheinen mitten im Nirgendwo zu sein“, sagt Anna-Christina Eilers, Assistenzprofessorin für Physik am Massachusetts Institute of Technology, sagte in einer Erklärung. „Es ist schwer zu erklären, wie diese Quasare so groß werden konnten, wenn sie scheinbar nichts zu haben haben, wovon sie sich ernähren könnten.“
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Quasare brauchen volle Vorratskammern
Es wird angenommen, dass supermassereiche Schwarze Löcher im Herzen jeder großen Galaxie im relativ modernen Universum lauern. Da kein Stern groß genug ist, um zu kollabieren, und Schwarze Löcher solch monströse Massen haben, wissen Wissenschaftler, dass sich supermassereiche Schwarze Löcher auf andere Weise bilden müssen als sogenannte „Sternmasse-Schwarze Löcher“ mit Massen zwischen dem 10- und 100-fachen der Masse Sonne, geboren aus dem Tod massereicher Sterne.
Supermassive Schwarze Löcher könnten durch die allmähliche Verschmelzung immer größerer Schwarzer Löcher wachsen, legen Modelle nahe. Das Problem ist jedoch, dass dieser Prozess sollen mehr als eine Milliarde Jahre dauern. JWST beobachtet jedoch supermassive Schwarze Löcher, die sich in viel kürzerer Zeit gebildet haben.
Es ist möglich, diese supermassiven Schwarzen Löcher zu sehen, weil sie sich in einer unmittelbaren turbulenten Umgebung befinden, die reich an Gasen ist, die als aktive galaktische Kerne (AGN) bezeichnet werden und von denen sie sich ernähren. Dadurch lassen sie sich auch leichter anbauen. Die immense Masse der Schwarzen Löcher in diesen Umgebungen lässt die abgeflachten Gas- und Staubwolken um sie herum leuchten und überdeckt dabei oft das gemeinsame Licht aller Sterne in der Galaxie, in der sie sich befinden. Dieses Licht, milliardenfach heller als die Sonne, weist auf einen Quasar hin.
Supermassive Schwarze Löcher benötigen jedoch einen „Lieferservice“, um ihre unmittelbare Umgebung gut mit Gas und Staub zu versorgen, damit sie diese unglaubliche Leuchtkraft erreichen können.
„Es ist einfach phänomenal, dass wir jetzt ein Teleskop haben, das das Licht von vor 13 Milliarden Jahren so detailliert einfangen kann“, sagte Eilers. „Zum ersten Mal ermöglichte uns JWST, die Umgebung dieser Quasare zu beobachten, wo sie aufgewachsen sind und wie ihre Nachbarschaft aussah.“
Um die breitere Umgebung von Quasaren zu untersuchen, wählte das Team fünf Regionen mit supermassereichen Schwarzen Löchern aus, die zwischen August 2022 und Juni 2023 vom JWST untersucht wurden. Dazu mussten mehrere Bilder „zusammengefügt“ werden, um ein Mosaik aus Quasarfeldern für jedes supermassereiche Schwarze Loch zu erstellen Nachbarschaft.
Durch die Verarbeitung der verschiedenen Lichtwellenlängen in den Bildern war es auch möglich, festzustellen, ob das Licht von einer benachbarten Galaxie eines Quasars stammte, und zu messen, wie weit diese Galaxie vom hellen zentralen Quasar entfernt war.
„Wir haben herausgefunden, dass der einzige Unterschied zwischen diesen fünf Quasaren darin besteht, dass ihre Umgebungen sehr unterschiedlich sind“, sagte Eilers. „Zum Beispiel hat ein Quasar fast 50 Galaxien um sich herum, während ein anderer nur zwei hat. Und beide Quasare haben die gleiche Größe, das gleiche Volumen, die gleiche Leuchtkraft und die gleiche Dauer wie das Universum.“
„Es war wirklich überraschend zu sehen.“
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Erlebten die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher „Wachstumsschübe“?
Die Ergebnisse des Teams stellen die Idee des Wachstums supermassiver Schwarzer Löcher und sogar der Galaxienbildung insgesamt in Frage. Nach aktuellem Verständnis wurde diese Entwicklung von einem riesigen „kosmischen Netz“ aus dunkler Materie vorangetrieben; Dunkle Materie macht etwa 85 % der gesamten Materie aus, bleibt aber für uns praktisch unsichtbar.
Filamente aus dunkler Materie im kosmischen Netz leiteten Gas und Staub im frühen Universum und zogen Urmaterie entlang ihrer riesigen Ranken. Wo sich die Stränge dieses kosmischen Netzes trafen, sammelten sich dichte Materieregionen. Hier entstanden die ersten Galaxien und die ersten Quasare sollten entdeckt werden.
„Das kosmische Netzwerk aus dunkler Materie ist eine starke Vorhersage unseres kosmologischen Modells des Universums und kann mithilfe numerischer Simulationen detailliert beschrieben werden“, sagte Teamleiter Elia Pizzati, ein Doktorand an der Universität Leiden, in der Pressemitteilung. „Durch den Vergleich unserer Beobachtungen mit diesen Simulationen können wir bestimmen, wo sich Quasare im kosmischen Netz befinden.“
Es wird erwartet, dass supermassereiche Schwarze Löcher, die sich an diesen Knotenpunkten des kosmischen Netzes befinden, durch die ständige und schnelle Ansammlung von Gas und Staub, die vom kosmischen Netz geliefert werden, wie ein galaktischer Grub Hub wachsen – dies würde es Quasaren ermöglichen, monströse Massen und extreme Leuchtkraft zu erreichen – so die Wissenschaftler Wir müssen noch wissen, wie dies so früh in der Geschichte des Universums geschehen konnte.
„Die Hauptfrage, die wir zu beantworten versuchen, lautet: Wie entstehen diese Schwarzen Löcher mit einer Milliarden-Sonnenmasse zu einer Zeit, in der das Universum noch sehr, sehr jung ist? Es steckt noch in den Kinderschuhen“, sagte Eilers.
Bedauerlicherweise scheint diese Forschung mehr Fragen aufgeworfen zu haben, als sie diejenigen beantwortet hat, die den Wissenschaftlern bereits Sorgen bereiteten. Unfruchtbare Viertel scheinen auf einen Mangel an Dunkler Materie und eine Überdichte kosmischer Knotenpunkte hinzuweisen. Wenn dies der Fall ist, können aktuelle Theorien über Wachstumsmechanismen diese Quasare nicht erklären.
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Eine mögliche Lösung dieses Rätsels besteht darin, dass diese frühen Quasare tatsächlich von kosmischem Staub umgeben und daher nicht sichtbar sind. Das Team beabsichtigt nun, seine Beobachtungen dieser potenziell leeren Quasarfelder zu „optimieren“, um solche umhüllten Galaxien zu entdecken.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass ein wichtiges Puzzleteil zum Wachstum dieser supermassereichen Schwarzen Löcher noch fehlt“, schlussfolgerte Eilers. „Wenn für einige Quasare nicht genügend Material vorhanden ist, um kontinuierlich zu wachsen, bedeutet das, dass es einen anderen Wachstumsweg geben muss, den wir noch nicht gefunden haben.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 17. Oktober im Astrophysical Journal veröffentlicht.