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Das James-Webb-Weltraumteleskop hat Bilder von zwei Quasaren aus der Frühphase des Universums aufgenommen und damit Aufschluss über die Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und ihren Wirtsgalaxien gegeben. Dieser Durchbruch legt nahe, dass das in jüngeren Galaxien beobachtete Massenverhältnis bereits weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall vorhanden war.
Die jüngsten Beobachtungen von JWST an zwei Quasaren aus der Frühzeit des Universums offenbaren entscheidende Einblicke in die frühe Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und ihren Galaxien und spiegeln die Massenverhältnisse wider, die im neueren Universum beobachtet wurden.
Neue Bilder des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) haben zum ersten Mal Sternenlicht von zwei massereichen Galaxien enthüllt, die aktiv wachsende Schwarze Löcher – Quasare – beherbergen, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall gesehen wurden. Die Massen der Schwarzen Löcher liegen bei etwa einer Milliarde Mal so groß wie die der Sonne, und die Massen der Muttergalaxie sind fast hundertmal größer, ein ähnliches Verhältnis wie im neueren Universum. Eine leistungsstarke Kombination aus der Weitfelddurchmusterung des Subaru-Teleskops und dem JWST hat einen neuen Weg zur Erforschung des fernen Universums geebnet, berichtet eine aktuelle Studie in Natur.
Beobachtungen riesiger Schwarzer Löcher haben in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit von Astronomen auf sich gezogen. Das Event Horizon Telescope (EHT) hat damit begonnen, den „Schatten“ von Schwarzen Löchern in den Galaxienzentren abzubilden. Der Romanpreis für Physik 2020 wurde an Sternbewegungsbeobachtungen im Herzen des Universums verliehen Milchstraße. Obwohl die Existenz solch riesiger Schwarzer Löcher gesichert ist, kennt niemand ihren Ursprung.
Astronomen haben berichtet, dass es in den ersten Milliarden Jahren des Universums Schwarze Löcher mit einer Sonnenmasse von einer Milliarde gab. Wie konnten diese Schwarzen Löcher so groß werden, als das Universum noch so jung war? Noch rätselhafter ist, dass Beobachtungen im lokalen Universum einen klaren Zusammenhang zwischen der Masse supermassereicher Schwarzer Löcher und den viel größeren Galaxien, in denen sie leben, zeigen. Die Galaxien und die Schwarzen Löcher haben völlig unterschiedliche Größen. Was war also zuerst da: die Schwarzen Löcher oder die Galaxien? Dies ist ein „Henne-oder-Ei“-Problem im kosmischen Maßstab.
JWST NIRCam 3,6 μm Bild von HSC J2236+0032. Das herausgezoomte Bild, das Quasarbild und das Bild der Wirtsgalaxie nach Abzug des Quasarlichts (von links nach rechts). Der Bildmaßstab in Lichtjahren ist in jedem Panel angegeben. Bildnachweis: Ding, Onoue, Silverman et al.
Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Masafusa Onoue, einem Kavli Astrophysics Fellow am Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (KIAA) der Universität Peking, und Xuheng Ding, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter am Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU). ) und John Silverman, Professor an der Kavli IPMU, haben begonnen, diese Frage mit dem zu beantworten James Webb-Weltraumteleskop (JWST), ein 6,5-Meter-Weltraumteleskop, das in einer internationalen Zusammenarbeit entwickelt wurde NASADie Europäische Weltraumorganisation (ESA) und der Canadian Space Agency (CSA) und wurde im Dezember 2021 gestartet.
Quasare sind leuchtend, während ihre Muttergalaxien schwach sind, was es für Forscher schwierig macht, das schwache Licht der Galaxie im grellen Glanz des Quasars zu erkennen, insbesondere in großen Entfernungen. „Die Heimatgalaxien von Quasaren bei Rotverschiebung 6 zu finden, ist wie der Versuch, Glühwürmchen in einem atemberaubenden Feuerwerk zu entdecken, während man eine neblige Brille trägt. Die Wirtsgalaxien sind unglaublich lichtschwach und die Bildauflösung war selbst mit sehr begrenzt Hubble-WeltraumteleskopDas macht es zu einer echten Herausforderung, ihre verborgene Schönheit zu entdecken“, sagt Xuheng Ding.
Künstlerisches Konzept des James Webb-Weltraumteleskops der NASA. Bildnachweis: NASA, ESA und Northrop Grumman
Das Team beobachtete zwei Quasare mit dem JWST, HSC J2236+0032 und HSC J2255+0251, bei den Rotverschiebungen 6,40 und 6,34, als das Universum etwa 860 Millionen Jahre alt war. Diese beiden Quasare wurden ursprünglich durch eine Weitfelddurchmusterung des 8,2-m-Subaru-Teleskops entdeckt, mit der das Forschungsteam bisher mehr als 160 Quasare identifiziert hat. Die relativ geringe Leuchtkraft dieser Quasare machte sie zu Hauptzielen für die Messung der Eigenschaften der Wirtsgalaxie, und die erfolgreiche Entdeckung der Wirtsgalaxien stellt die bisher früheste Epoche dar, in der Sternenlicht in einem Quasar nachgewiesen wurde.
Die Bilder der beiden Quasare wurden bei Infrarotwellenlängen von 3,56 und 1,50 Mikrometer mit dem NIRCam-Instrument des JWST aufgenommen, und die Wirtsgalaxien wurden nach sorgfältiger Modellierung und Subtraktion der Blendung der akkretierenden Schwarzen Löcher sichtbar. Die Sternsignatur der Muttergalaxie war auch in einem Spektrum zu sehen, das vom NIRSpec des JWST für J2236+0032 aufgenommen wurde, was die Entdeckung der Muttergalaxie weiter unterstützt. „Seit meiner Doktorarbeit am National Astronomical Observatory of Japan bin ich intensiv an der Subaru-Durchmusterung von Quasaren mit hoher Rotverschiebung beteiligt. Ich bin äußerst stolz auf die erfolgreiche Sternenlichterkennung der HSC-Quasare, die wir mit Subaru gefunden haben“, sagt Masafusa Onoue.
Kavli IPMU-Projektforscher Xuheng Ding, Professor John Silverman und Kavli Astrophysics Fellow Masafusa Onoue vom Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (PKU-KIAA) (von links). Bildnachweis: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue
Anhand der Beobachtungen stellte das Team fest, dass das Verhältnis der schwarzes Loch Die Masse der Masse der Wirtsgalaxie ähnelt derjenigen im neueren Universum. Das Ergebnis legt nahe, dass die Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und ihren Wirten bereits in der ersten Milliarde Jahre nach dem Tod bestand Urknall. Das Team wird diese Studie mit einer größeren Stichprobe entfernter Quasare fortsetzen, um die koevolutionäre Wachstumsgeschichte von Schwarzen Löchern und ihren Muttergalaxien über die kosmische Zeit hinweg weiter einzuschränken. Diese Beobachtungen werden Modelle für die Koevolution von Schwarzen Löchern und ihren Wirtsgalaxien einschränken.
Lesen Sie mehr über diese Entdeckung unter Forscher entdecken die Wirtsgalaxien von Quasaren im frühen Universum.
Referenz: „Detection of stellar light from quasar host galaxies at redshifts Above 6“ von Xuheng Ding, Masafusa Onoue, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Jahnke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Volonteri, Zoltan Haiman, Irham Taufik Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebekka Bieri, Sarah EI Bosman, Connor Bottrell, Anna-Christina Eilers, Seiji Fujimoto, Melanie Habouzit, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kashikawa, Toshihiro Kawaguchi, Kotaro Kohno, Chien-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Lyu, Tohru Nagao, Roderik Overzier, Jan-Torge Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasaku, Yoshiki Toba, Benny Trakhtenbrot, Maxime Trebitsch, Tommaso Treu, Hideki Umehata, Bram P . Venemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feige Wang und Jinyi Yang, 28. Juni 2023, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06345-5