NASA entdeckt rekordverdächtiges supermassereiches Schwarzes Loch in über 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung

• Ein Schlüsselindikator für ein wachsendes Supermassereich schwarzes Loch – Röntgenemission – wurde in einer extrem weit entfernten Galaxie gefunden.
• Diese Galaxie, UHZ1, ist 13,2 Milliarden Lichtjahre entfernt und wurde gesehen, als das Universum nur 3 % seines heutigen Alters hatte.
• NASA‘s Chandra Röntgenobservatorium und James Webb-Weltraumteleskop haben sich zusammengetan, um diese Entdeckung zu machen.
• Dies gilt als bisher bester Beweis dafür, dass sich einige frühe Schwarze Löcher aus massiven Gaswolken gebildet haben.

Mit den Weltraumteleskopen Chandra und Webb fanden Astronomen das am weitesten entfernte Schwarze Loch, das jemals im Röntgenbereich entdeckt wurde (in einer Galaxie namens UHZ1). Röntgenemission ist ein verräterisches Zeichen für ein wachsendes supermassereiches Schwarzes Loch. Dieses Ergebnis könnte erklären, wie einige der ersten supermassiven Schwarzen Löcher im Universum entstanden sind. Diese Bilder zeigen den Galaxienhaufen Abell 2744, hinter dem sich UHZ1 befindet, in Röntgenstrahlen von Chandra und Infrarotdaten von Webb sowie Nahaufnahmen der Wirtsgalaxie UHZ1 des Schwarzen Lochs. Bildnachweis: Röntgen: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; Infrarot: NASA/ESA/CSA/STScI; Bildverarbeitung: NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand

NASA-Teleskope entdecken rekordverdächtiges Schwarzes Loch

Dieses Bild zeigt das am weitesten entfernte Schwarze Loch, das jemals durch Röntgenstrahlen identifiziert wurde, und gibt möglicherweise Aufschluss über die Entstehung der frühesten supermassereichen Schwarzen Löcher im Kosmos. Diese Entdeckung wurde mithilfe von Röntgenstrahlen des Chandra-Röntgenobservatoriums der NASA (in Lila dargestellt) und Infrarotdaten des James Webb-Weltraumteleskops (in Rot, Grün, Blau dargestellt) gemacht.

Galaktische Entfernungen und Beobachtungen

Das extrem weit entfernte Schwarze Loch befindet sich in der Galaxie UHZ1 in Richtung des Galaxienhaufens Abell 2744. Der Galaxienhaufen ist etwa 3,5 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt. Webb-Daten zeigen jedoch, dass UHZ1 viel weiter entfernt ist als Abell 2744. Mit einer Entfernung von etwa 13,2 Milliarden Lichtjahren wurde UHZ1 gesehen, als das Universum nur 3 % seines heutigen Alters hatte.

Gravitationslinsen- und Röntgendetektion

Mithilfe der mehr als zweiwöchigen Beobachtungen von Chandra konnten die Forscher die Röntgenemission von UHZ1 nachweisen – ein verräterisches Zeichen für ein wachsendes supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie. Das Röntgensignal ist extrem schwach und Chandra konnte es trotz dieser langen Beobachtung nur aufgrund des als Gravitationslinseneffekt bekannten Phänomens erkennen, das das Signal um den Faktor vier verstärkte.

Bildgebende Techniken und Orientierung

Die violetten Teile des Bildes zeigen Röntgenstrahlen von großen Mengen heißen Gases in Abell 2744. Das Infrarotbild zeigt Hunderte von Galaxien im Haufen sowie einige Sterne im Vordergrund. Die Einschübe zoomen in einen kleinen Bereich, der auf UHZ1 zentriert ist. Das kleine Objekt im Webb-Bild ist die entfernte Galaxie UHZ1 und das Zentrum des Chandra-Bildes zeigt Röntgenstrahlen aus Material in der Nähe des supermassereichen Schwarzen Lochs in der Mitte von UHZ1. Die große Größe der Röntgenquelle im Vergleich zur Infrarotansicht der Galaxie ist darauf zurückzuführen, dass sie die kleinste Größe darstellt, die Chandra auflösen kann. Tatsächlich stammen die Röntgenstrahlen aus einer Region, die viel kleiner als die Galaxie ist.

Auf das Vollfeld-Chandra-Bild und auf das Chandra-Bild in der Nahaufnahme wurde eine unterschiedliche Glättung angewendet. Für das große Bild wurde eine Glättung über viele Pixel durchgeführt, um die schwache Clusteremission hervorzuheben, auf Kosten der Tatsache, dass schwache Röntgenpunktquellen wie UHZ1 nicht angezeigt werden. Auf die Nahaufnahme wurde viel weniger Glättung angewendet, sodass schwache Röntgenquellen sichtbar sind. Das Bild ist so ausgerichtet, dass der Norden 42,5 Grad rechts von der Vertikalen zeigt.

Abbildung: Bildung eines schweren Schwarzen Lochs durch direkten Kollaps einer massiven Gaswolke. Bildnachweis: NASA/STScI/Leah Hustak

Bedeutung der Entdeckung

Diese Entdeckung ist wichtig für das Verständnis, wie einige supermassive Schwarze Löcher – solche, die bis zu Milliarden Sonnenmassen enthalten und sich in den Zentren von Galaxien befinden – kurz nach dem Urknall kolossale Massen erreichen können. Entstehen sie direkt durch den Kollaps massiver Gaswolken und erzeugen Schwarze Löcher mit einem Gewicht zwischen etwa zehntausend und hunderttausend Sonnen? Oder stammen sie von Explosionen der ersten Sterne, die Schwarze Löcher mit einem Gewicht von nur etwa zehn bis hundert Sonnen entstehen ließen?

Forschungsergebnisse und theoretische Implikationen

Das Astronomenteam fand starke Hinweise darauf, dass das neu entdeckte Schwarze Loch in UHZ1 massereich entstanden ist. Sie schätzen, dass seine Masse auf der Grundlage der Helligkeit und Energie der Röntgenstrahlen zwischen 10 und 100 Millionen Sonnen liegt. Dieser Massenbereich ähnelt dem aller Sterne in der Galaxie, in der sie leben, was im krassen Gegensatz zu Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien im nahen Universum steht, die normalerweise nur etwa ein Zehntel Prozent ihrer Masse enthalten Sterne der Wirtsgalaxie.

Die große Masse des Schwarzen Lochs in jungen Jahren sowie die Menge an Röntgenstrahlung, die es erzeugt, und die von Webb entdeckte Helligkeit der Galaxie stimmen alle mit theoretischen Vorhersagen aus dem Jahr 2017 über ein „übergroßes Schwarzes Loch“ überein, das sich direkt aus dem Schwarzen Loch gebildet hat Zusammenbruch einer riesigen Gaswolke.

Laufende Forschung und Zusammenarbeit

Die Forscher planen, diese und andere Ergebnisse von Webb und denen, die Daten von anderen Teleskopen kombinieren, zu nutzen, um ein umfassenderes Bild des frühen Universums zu erstellen.

Das Papier, in dem die Ergebnisse beschrieben werden, erscheint in Naturastronomie. Zu den Autoren gehören Akos Bogdan (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian), Andy Goulding (Princeton Universität), Priyamvada Natarajan (Yale Universität), Orsolya Kovacs (Masaryk-Universität, Tschechische Republik), Grant Tremblay (CfA), Urmila Chadayammuri (CfA), Marta Volonteri (Institut d’Astrophysique de Paris, Frankreich), Ralph Kraft (CfA), William Forman (CfA), Christine Jones (CfA), Eugene Churazov (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Deutschland) , und Irina Zhuravleva (Universität von Chicago).

Die in beiden Artikeln verwendeten Webb-Daten sind Teil einer Umfrage namens „Ultradeep Nirspec and nirCam ObserVations before the Epoch of Reionization“ (UNCOVER). Das von UNCOVER-Teammitglied Andy Goulding geleitete Papier erscheint im Astrophysikalische Tagebuchbriefe. Zu den Co-Autoren gehören weitere UNCOVER-Teammitglieder sowie Bogdan und Natarajan. Ein ausführliches Interpretationspapier, das die beobachteten Eigenschaften von UHZ1 mit theoretischen Modellen für übergroße Schwarze Lochgalaxien vergleicht, wird derzeit überprüft und ein Vorabdruck ist hier verfügbar.

Verweise:

„Beweise für den Ursprung früher supermassiver Schwarzer Löcher aus einem Röntgenquasar mit einer Auflösung von z ≈ 10“ von Ákos Bogdán, Andy D. Goulding, Priyamvada Natarajan, Orsolya E. Kovács, Grant R. Tremblay, Urmila Chadayammuri, Marta Volonteri, Ralph P. Kraft, William R. Forman, Christine Jones, Eugene Churazov und Irina Zhuravleva, 6. November 2023, Naturastronomie.
DOI: 10.1038/s41550-023-02111-9

„UNCOVER: Das Wachstum der ersten massiven Schwarzen Löcher aus JWST/NIRSpec – Spektroskopische Rotverschiebungsbestätigung eines röntgenleuchtenden AGN bei z = 10,1“ von Andy D. Goulding, Jenny E. Greene, David J. Setton, Ivo Labbe, Rachel Bezanson, Tim B. Miller, Hakim Atek, Ákos Bogdán, Gabriel Brammer, Iryna Chemerynska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Yoshinobu Fudamoto, Seiji Fujimoto, Lukas J. Furtak, Vasily Kokorev, Gourav Khullar, Joel Leja, Danilo Marchesini , Priyamvada Natarajan, Erica Nelson, Pascal A. Oesch, Richard Pan, Casey Papovich, Sedona H. Price, Pieter van Dokkum, Bingjie Wang, 冰洁 王, John R. Weaver, Katherine E. Whitaker und Adi Zitrin, 22. September 2023 , Die astrophysikalischen Tagebuchbriefe.
DOI: 10.3847/2041-8213/acf7c5

Das Marshall Space Flight Center der NASA verwaltet das Chandra-Programm. Das Chandra X-ray Center des Smithsonian Astrophysical Observatory steuert den wissenschaftlichen Betrieb von Cambridge, Massachusetts, und den Flugbetrieb von Burlington, Massachusetts.

Das James Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Weltraumobservatorium. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, über die fernen Welten um andere Sterne hinausblicken und die mysteriösen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Webb ist ein internationales Programm, das von der NASA und ihren Partnern ESA geleitet wird (Europäische Weltraumorganisation) und die Canadian Space Agency.