|
Das Licht der Sterne um zwei entfernte Quasare
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astronomie astronews.com
5. Juli 2023
Mit dem James Webb Space Telescope ist es erstmals
gelungen, das Licht der Sterne von zwei Galaxien im frühen Universum zu
beobachten, die einen Quasar beherbergen. Das Team konnte die Masse der Sterne
und auch der supermassereichen Schwarzen Löcher abschätzen und stellte fest,
dass die Massenverhältnisse überraschend ähnlich denen in heutigen Galaxien sind.
![HSC J2236+0032](../../../bilder/2023/2307-004.jpg)
Mit dem JWST-Instrument NIRCam aufgenommenes
Bild des Quasars HSC J2236+0032 bei der (nahinfraroten)
Wellenlänge von 3,6 Mikrometern. Im Hintergrund das
vollständige Bild, mit dem Quasar in der Mitte. Oberes
eingeschobenes Bild: eine Nahaufnahme des Quasars und seiner
Galaxie; unten: das gleiche Bild, bei dem das Licht des
Quasars abgezogen wurde, so dass die Galaxie sichtbar wird. Bild:
Ding, Onoue, Silverman et al. [Großansicht] |
Quasare gehören zu den extremsten Objekten im Universum – sie zählen zu den
hellsten Objekten, die wir am Himmel sehen können, und verantwortlich für jenes
helle Leuchten ist eine physikalische Extremsituation: Gas, das in
supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien fällt. Solche
supermassereichen Schwarzen Löcher haben die Masse von Millionen oder sogar
Milliarden von Sonnen. Nun ist es einer Gruppe von Astronominnen und Astronomen
unter der Leitung von Masafusa Onoue, in der Anfangsphase des Projekts als
Postdoc am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, mithilfe des
James-Webb-Weltraumteleskops zum ersten Mal gelungen, die Heimatgalaxien von
Quasaren in der fernen kosmischen Vergangenheit zu beobachten, zu einem
Zeitpunkt, als das Universum weniger als zehn Prozent so alt war wie jetzt.
Die Beobachtungen zeigen, dass diese frühen Quasare und ihre Galaxien den
heutigen Galaxien in einem wichtigen Punkt sehr ähnlich sind: Bei modernen
Galaxien besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Masse des
supermassereichen Schwarzen Lochs einer Galaxie und der Gesamtmasse der Sterne
jener Galaxie. Die beiden frühen Quasare, die jetzt neu beobachtet wurden,
erfüllen die gleiche Beziehung. Es ist noch nicht klar, was dies bedeutet und
wie es zustande kommt – aber es dürfte ein wichtiger Datenpunkt zur Lösung eines
hartnäckigen Rätsels früher, supermassereicher Schwarze Löcher sein: wie jene
Schwarzen Löcher es geschafft haben, in einem kosmisch gesehen vergleichsweise
kurzen Zeitraum große Menge an Masse anzuhäufen.
Seit der Entdeckung des ersten Quasars im Jahr 1963 konnte die Astronomie
enorm viel über diese Objekte in Erfahrung bringen. Eine zentrale Erkenntnis
war, dass Quasare dabei sozusagen nur die Spitze des Eisbergs sind – jede
größere Galaxie hat ein zentrales, supermassereiches Schwarzes Loch, aber die
meisten davon machen sich nicht so aufdringlich bemerkbar wie Quasare. Seit
Anfang der 2000er Jahre hat sich herausgestellt, dass es einen systematischen
Zusammenhang zwischen der Masse des zentralen Schwarzen Lochs einer Galaxie und
der Gesamtmasse der Sterne jener Galaxie gibt. Trägt man diese beide Massen für
verschiedene Galaxien auf, ergibt sich eine vergleichsweise einfache Funktion
(ein Potenzgesetz), welche die beiden Größen zueinander in Beziehung setzt. In
Anbetracht der Tatsache, dass die Sternmassen von Galaxien rund tausend Mal
größer sind als die Massen zentraler Schwarzer Löcher, ist diese Beziehung, die
für zentrale Schwarze Löcher mit Millionen von Sonnenmassen ebenso gilt wie für
Exemplare mit 100.000 Mal mehr Masse, bemerkenswert.
Die Annahme liegt nahe, dass diese Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und
ihren Galaxien auf eine gemeinsame Geschichte dieser Objekte zurückgeht, dass
also dieselben Umstände, die zur Bildung einer Galaxie mit hoher Sternmasse
führen, auch zur Entwicklung eines massereicheren zentralen Schwarzen Lochs
führen und umgekehrt. Einen sehr einfachen Mechanismus dafür liefert ein
Vorschlag, der von Knud Jahnke (einem an der aktuellen Studie beteiligten
MPIA-Wissenschaftler) und seinem Kollegen Andrea Macciò quantitativ
ausgearbeitet wurde: In den gängigen kosmologischen Szenarien wachsen Galaxien
als Ganzes durch die Verschmelzung mit bzw. durch das "Verschlucken" kleinerer
Galaxien; die zentralen Schwarzen Löcher entstehen dabei durch Verschmelzung
bzw. "Verschlucken" der zentralen Schwarzen Löcher jener kleineren Galaxien. Die
natürliche Folge nach zahlreichen Verschmelzungen ist, dass die Masse der
Galaxien zur durchschnittlichen Masse der ursprünglichen Galaxienpopulation mal
der Anzahl der aufgenommenen Galaxien tendiert, während die Masse der zentralen
Schwarzen Löcher zur durchschnittlichen Masse der ursprünglichen Schwarzen
Löcher mal der gleichen Anzahl tendiert. Insgesamt ergibt sich eine ungefähr
lineare Beziehung.
In anderen Szenarien wurden Kausalzusammenhänge zwischen Schwarzem Loch und
Galaxienmasse untersucht. Gas, das in das zentrale Schwarze Loch fällt, würde es
in einen Quasar verwandeln. Die Strahlung des Quasars könnte wiederum das
Gasreservoir in der Galaxie beeinflussen, welche das Rohmaterial für das
Wachstum des Schwarzen Lochs und die Sternbildung in der Galaxie liefert. Wird
dieses Gas durch den Quasar aufgeheizt, würde das sowohl die Sternentstehung
behindern als auch den Gas-Nachschub für das zentrale Schwarze Loch drosseln.
Diese Art von "Selbstregulierung" könnte ebenfalls einen Zusammenhang zwischen
der Sternentstehungsrate einer ganzen Galaxie und dem Wachstum ihres zentralen
Schwarzen Loches herstellen.
Die Entwicklung supermassereicher schwarzer Löcher ist mit einem weiteren
Rätsel verbunden. Da Quasare so hell sind, können sie über enorme Entfernungen
hinweg untersucht werden. In der Astronomie bedeutet die Beobachtung von weit
entfernten Objekten immer, dass man die ferne Vergangenheit beobachtet: Es
dauert seine Zeit, bis das Licht dieser Objekte uns erreicht hat. Das wiederum
bedeutet, dass wir jene Objekte so sehen, wie sie vor langer Zeit waren, nämlich
zu jener Zeit als das Licht, das jetzt unsere Teleskope erreicht, ausgesandt
wurde. Das Licht der am weitesten von uns entfernten Quasare hat mehr als 13
Milliarden Jahre benötigt, um uns zu erreichen. Wir sehen diese Quasare also so,
wie sie vor mehr als 13 Milliarden Jahren waren, nur einige hundert Millionen
Jahre nach der heißen Urknallphase unseres Universums.
Die supermassereichen Schwarzen Löcher, die diese am weitesten von uns
entfernten bekannten Quasare antreiben, haben überraschend hohe Massen von bis
zu einigen Milliarden Sonnenmassen. Überraschend ist dieser Umstand deshalb,
weil sieben- oder achthundert Millionen Jahre seit dem Urknall kosmisch gesehen
nicht viel Zeit waren, eine derart große Masse anzusammeln. Obwohl eine Reihe
von Szenarien in der Diskussion sind, ist die Frage, wie diese frühen
supermassereichen Schwarzen Löcher so schnell wachsen konnten, derzeit noch
nicht geklärt.
Während ein Quasar vergleichsweise leicht zu beobachten ist, ist die
Situation bei der umgebenden Galaxie ganz anders. Ein Quasar ist in der Regel
mehr als fünfmal heller als alle Sterne seiner Heimatgalaxie zusammengenommen,
und überstrahlt die Galaxie daher in der Regel deutlich. Quasar und Galaxie
auseinanderzuhalten ist eine Aufgabe für Weltraumteleskope – selbst für die
besten bodengebundenen Teleskope ist es aufgrund des störenden Einflusses der
Erdatmosphäre schwierig, das Licht des Quasars (das für einen Beobachter auf der
Erde oder in Erdnähe von einer Punktquelle zu kommen scheint) sauber vom Licht
der umgebenden Galaxie zu unterscheiden.
Bei Quasaren, deren Licht bis zu zehn Milliarden Jahre braucht, um uns zu
erreichen, war das Hubble-Weltraumteleskop bei der Abbildung von
Quasar-Heimatgalaxien sehr erfolgreich. Doch bei weiter entfernten Quasaren
stößt Hubble auf Schwierigkeiten, hier kann aber nun das James Webb Space
Telescope seine Stärken ausspielen. Deshalb schlug das Team unter der
Leitung von Masafusa Onoue vor, im ersten Betriebsjahr des JWST zwölf der
leuchtschwächsten bekannten Quasare im frühen Universum zu beobachten. Dass jene
Quasare vergleichsweise leuchtschwach sind, erhöht die Chancen, ihre
Heimatgalaxien beobachten zu können.
Die ersten beiden Quasare aus dieser Liste, die das JWST jetzt tatsächlich
beobachtet hat, tragen die Bezeichnungen J2236+0032 und J2255+0251. Das Licht
dieser Quasare hat 12,9 bzw. 12,8 Milliarden Jahre gebraucht, um uns zu
erreichen, und zeigt uns die beiden Quasare entsprechend so, wie sie 870 und 880
Millionen Jahre nach dem Urknall aussahen. Im Oktober und November 2022
beobachteten die Astronominnen und Astronomen mit dem JWST, das zu diesem
Zeitpunkt erst seit wenigen Monaten in Betrieb war, jeden der beiden Quasare
fast zwei Stunden lang bei zwei verschiedenen Wellenlängen mit der
Nahinfrarotkamera NIRCam.
"Vor 25 Jahren war es ein großer Fortschritt, dass wir mit großen
bodengebundenen Teleskopen die Galaxien von Quasaren aus einer Zeit von vor drei
Milliarden Jahren beobachten konnten", erinnert sich Jahnke. "Mit dem
Weltraumteleskop Hubble konnten wir dann die Zeit des größten Wachstums
Schwarzer Löcher erforschen, vor zehn Milliarden Jahren. Jetzt zeigt uns das
JWST die Galaxien, in denen die ersten supermassiven Schwarzen Löcher entstanden
sind."
Die Heimatgalaxie wurde sichtbar, nachdem das Team das kompakte zentrale
Licht des Quasars sorgfältig modelliert und das Ergebnis von den Bilddaten
abgezogen hatten. Heraus kam ein Bild des Sternlichts der entferntesten
Quasar-Heimatgalaxie, die bisher beobachtet werden konnte. Nach der Menge des
Sternlichts zu urteilen, besitzen jene Galaxien Sterne mit einer Gesamtmasse von
130 bzw. 30 Milliarden Sonnenmassen Zum Vergleich: Die Sternmasse unserer
Heimatgalaxie, der Milchstraße, beträgt etwa 60 Milliarden Sonnenmassen.
Die Astronominnen und Astronomen verwendeten außerdem den
Nahinfrarot-Spektrographen NIRSpec des JWST, um das kombinierte Spektrum des
Quasars und seiner Galaxie zu analysieren. Bestimmte spektrale Merkmale, die
sogenannten "breiten Linien", zeigen Eigenschaften des Gases an, welches das
zentrale Schwarze Loch in unmittelbarer Nähe umkreist. Die Eigenschaften der
breiten Linien stehen in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit, mit der
das Gas um das Schwarze Loch kreist, und damit mit der Masse des Schwarzen
Lochs. So konnte das Team die Masse der Schwarzen Löcher der beiden Quasare auf
1,4 Milliarden bzw. 200 Millionen Sonnenmassen bestimmen.
Wie sich herausstellte, passen beiden Datenpunkte aus dem frühen Universum
für Schwarzloch-Masse und Gesamtmasse der Sterne erstaunlich gut zu den
Eigenschaften modernerer Galaxien. Die Momentaufnahme aus dem frühen Universum,
weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, sieht also erstaunlich modern
aus: Schon damals bestand zwischen der Masse des zentralen Schwarzen Lochs und
der Gesamtmasse der Sterne einer Galaxie derselbe Zusammenhang wie heute.
Die neuen Erkenntnisse dürften wichtig sein, um die gemeinsame Entwicklung
von Galaxien und ihren zentralen Schwarzen Löchern und auch das schnelle
Wachstum Schwarzer Löcher im frühen Universum zu verstehen. Angesichts des
derzeitigen Stands der Forschung reichen die Daten allein jedoch nicht aus, um
bestimmte Modelle zu favorisieren oder auszuschließen. Sie werden aber
zweifellos eine wichtige Rolle spielen, wenn künftige, umfassendere Szenarien
für das Zusammenspiel zwischen Galaxien und ihren Schwarzen Löchern formuliert
werden.
Solche Szenarien werden unter anderem daran gemessen werden, ob sie erklären
können, warum der Zusammenhang von Gesamt-Sternmasse und Schwarzloch-Masse über
rund zwölf Milliarden Jahren weitgehend derselbe geblieben ist. Bis solche
Erklärungsmodelle aufgestellt sind, wird es allerdings noch wesentlich mehr
Daten geben: Insgesamt hatten die Astronominnen und Astronomen für die
Beobachtung der zwölf ausgewählten Quasare 50 Stunden an JWST-Beobachtungszeit
zugeteilt bekommen. Rund die Hälfte der Beobachtungen der zehn weiteren nicht
besonders hellen Quasaren ist bereits durchgeführt, und die Daten werden derzeit
ausgewertet. Darüber hinaus wurde dem Team weitere elf Stunden Beobachtungszeit
in der JWST-Beobachtungssaison 2023/2024 zugesprochen, um einen der beiden hier
beschriebenen Quasare und seine Heimatgalaxie noch genauer zu untersuchen.
Über die Beobachtungen berichtet das Team in einem Fachartikel,
der in der
Zeitschrift Nature erschienen ist.
|
|
|