Supermassive Schwarze Löcher scheinen im Zentrum jeder Galaxie zu sein, und zwar schon seit einigen der frühesten Galaxien im Universum. Und wir haben keine Ahnung, wie sie dorthin gelangt sind. Es sollte ihnen eigentlich nicht möglich sein, so schnell von Supernova-Überresten zu supermassiven Größen heranzuwachsen. Und uns ist kein anderer Mechanismus bekannt, der etwas so Großes bilden könnte, dass extremes Wachstum nicht notwendig wäre.
Die scheinbare Unmöglichkeit supermassiver Schwarzer Löcher im frühen Universum war schon immer ein kleines Problem; das James-Webb-Weltraumteleskop hat es nur noch schlimmer gemacht, indem es immer frühere Beispiele von Galaxien mit supermassiven Schwarzen Löchern entdeckte. Im jüngsten Beispiel haben Forscher das Webb-Teleskop verwendet, um einen Quasar zu charakterisieren, der von einem supermassiven Schwarzen Loch angetrieben wurde, wie er etwa 750 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. Und er sieht erschreckend normal aus.
Ein Blick zurück in die Vergangenheit
Quasare sind die hellsten Objekte im Universum. Sie werden von supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben, die aktiv Energie liefern. Die sie umgebende Galaxie liefert ihnen so viel Material, dass sie helle Akkretionsscheiben und starke Jets bilden, die beide große Mengen an Strahlung aussenden. Sie sind oft teilweise von Staub umhüllt, der leuchtet, weil er einen Teil der vom Schwarzen Loch ausgestrahlten Energie absorbiert. Diese Quasare strahlen so viel Strahlung aus, dass sie letztendlich einen Teil des nahegelegenen Materials vollständig aus der Galaxie vertreiben.
Das Vorhandensein dieser Strukturen im frühen Universum würde uns also sagen, dass supermassive Schwarze Löcher nicht nur im frühen Universum vorhanden waren, sondern auch in Galaxien integriert waren, wie dies in jüngerer Zeit der Fall ist. Aber es war sehr schwierig, sie zu untersuchen. Zunächst einmal haben wir nicht viele identifiziert; es gibt nur neun Quasare, die aus der Zeit vor 800 Millionen Jahren stammen. Aufgrund dieser Entfernung sind Strukturen schwer zu erkennen, und die Rotverschiebung, die durch die Ausdehnung des Universums verursacht wird, nimmt die intensive UV-Strahlung vieler Elemente auf und dehnt sie weit in den Infrarotbereich aus.
Das Webb-Teleskop wurde jedoch speziell dafür entwickelt, Objekte im frühen Universum zu entdecken, indem es auf die Infrarotwellenlängen reagiert, in denen diese Strahlung auftritt. Die neue Forschung basiert daher darauf, das Webb-Teleskop auf den ersten der neun entdeckten frühen Quasare auszurichten, J1120+0641.
Und es sieht … bemerkenswert normal aus. Oder zumindest sehr ähnlich wie Quasare aus jüngeren Perioden der Geschichte des Universums.
Meistens normal
Die Forscher analysieren das Kontinuum der vom Quasar erzeugten Strahlung und finden klare Hinweise darauf, dass er in einen heißen, staubigen Donut aus Materie eingebettet ist, wie man es bei späteren Quasaren sieht. Dieser Staub ist etwas heißer als bei einigen jüngeren Quasaren, aber das scheint ein gemeinsames Merkmal dieser Objekte in früheren Stadien der Universumsgeschichte zu sein. Strahlung von einer Akkretionsscheibe ist im Emissionsspektrum ebenfalls erkennbar.
Verschiedene Möglichkeiten zur Schätzung der Massenproduktionswerte des Schwarzen Lochs im Bereich von 109 mal so groß wie die Masse der Sonne, was ihn eindeutig in die Kategorie der supermassiven schwarzen Löcher einordnet. Eine leichte Blauverschiebung in einem Teil der Strahlung deutet auch darauf hin, dass der Quasar Material mit etwa 350 Kilometern pro Sekunde wegschießt.
Es gibt ein paar Merkwürdigkeiten. Eine davon ist, dass das Material auch mit etwa 300 Kilometern pro Sekunde nach innen zu fallen scheint. Dies könnte durch Material verursacht werden, das sich in der Akkretionsscheibe von uns wegdreht. Wenn das zutrifft, müsste es aber auch Material geben, das auf der gegenüberliegenden Seite der Scheibe auf uns zu rotiert. Dies wurde bereits einige Male bei sehr frühen Quasaren beobachtet, aber die Forscher räumen ein, dass „der physikalische Ursprung dieses Effekts unbekannt ist.“
Eine von ihnen vorgeschlagene Erklärung besteht darin, dass sich der gesamte Quasar bewegt und durch eine frühere Verschmelzung mit einem anderen supermassereichen Schwarzen Loch aus seiner Position im Zentrum der Galaxie herausgedrängt wurde.
Die andere Merkwürdigkeit ist, dass es auch einen sehr schnellen Ausfluss von hochionisiertem Kohlenstoff gibt – ungefähr doppelt so schnell wie in späteren Quasaren. Das wurde schon früher beobachtet, aber auch dafür gibt es keine Erklärung.
Wie ist das passiert?
Trotz der Merkwürdigkeiten ähnelt dieses Objekt sehr den Quasaren aus jüngerer Zeit: „Unsere Beobachtungen zeigen, dass die komplexen Strukturen des staubigen Torus und der [accretion disk] können sich etablieren um eine [supermassive black hole] weniger als 760 Millionen Jahre nach dem Urknall.”
Und das ist wiederum ein kleines Problem, da es auf die Existenz eines supermassiven Schwarzen Lochs hinweist, das sich sehr früh in der Geschichte des Universums in seine Wirtsgalaxie integriert hat. Um die hier gezeigten Größen zu erreichen, stoßen Schwarze Löcher an die sogenannte Eddington-Grenze – die Menge an Material, die sie aufnehmen können, bevor die dabei erzeugte Strahlung benachbartes Material wegtreibt und die Nahrungsversorgung des Schwarzen Lochs abschnürt.
Das legt zwei Möglichkeiten nahe. Die eine ist, dass diese Dinger während des Großteils ihrer Geschichte Material weit über der Eddington-Grenze aufgenommen haben – etwas, das wir nicht beobachtet haben und was auf diesen Quasar definitiv nicht zutrifft. Die andere Möglichkeit ist, dass sie massiv angefangen haben (bei etwa 104 mal der Masse der Sonne) und ernährte sich weiterhin mit einer vernünftigeren Geschwindigkeit. Aber wir wissen nicht wirklich, wie etwas so Großes entstehen kann.
Das frühe Universum bleibt also ein ziemlich rätselhafter Ort.
Nature Astronomy, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Über DOIs).