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Wie die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher entstanden
Redaktion
/ Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik
astronews.com
22. September 2026
Im Rahmen der bislang detailliertesten kosmologischen
Simulationen konnte ein Forschungsteam zeigen, dass sich massereiche
Schwarze-Loch-Keime mit Massen von bis zu einer Million Sonnenmassen auf
natürliche Weise in dichten, frühen Gruppen von Galaxien bilden können. Diese
Keime und ihr Wachstum liefern auch eine Erklärung für die bislang mysteriösen
Little Red Dots.
Künstlerische Darstellung eines schnell
wachsenden supermassereichen Schwarzen Lochs im
jungen Universum, das von Gas umgeben ist.
Bild: Sunmyon Chon, Takaaki Takeda, 4D2U
Project, NAOJ [Großansicht] |
Schon wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall gab es im Universum
supermassereiche Schwarze Löcher mit der millionen- oder sogar milliardenfachen
Masse unserer Sonne. Wie sich solche Giganten so schnell bilden konnten, hat die
astronomische Forschung jahrzehntelang vor ein Rätsel gestellt. Nun hat eine
neue Studie unter der Leitung von Sunmyon Chon am Max-Planck-Institut für
Astrophysik (MPA) mithilfe ausgefeilter Simulationen des frühen Universums eine
Antwort geliefert: Das Team zeigt, dass sich massereiche "Schwarze-Loch-Keime"
mit Massen von bis zu einer Million Sonnenmassen auf natürliche Weise in
dichten, frühen Gruppen von Galaxien bilden können, ohne dass dafür exotische
oder fein abgestimmte Bedingungen erforderlich sind. Diese Keime wachsen mit
erstaunlicher Geschwindigkeit und entwickeln sich rasch zu den supermassereichen
Schwarzen Löchern, die vom James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) im frühen
Universum beobachtet wurden.
Der Schlüssel zu diesem Durchbruch liegt in einem Effekt, der in
kosmologischen Simulationen oft übersehen wurde: intensive Strahlung im fernen
Ultraviolettbereich (FUV) von nahegelegenen, sternbildenden Galaxien. Im frühen
Universum bildeten sich massereiche Galaxien in dichten Gruppen. Die Strahlung
dieser Galaxien unterdrückte die Sternentstehung in nahegelegenen Gaswolken und
verhinderte, dass diese abkühlten und sich in kleinere Sterne aufspalteten.
Stattdessen kollabierte das Gas direkt zu einem einzigen, massereichen Objekt:
einem supermassereichen Stern, der anschließend zu einem Schwarzen-Loch-Keim von
beispielloser Größe kollabierte.
"Dies ist das erste Mal, dass wir die Entstehung solch massereicher Keime in
einer vollständigen kosmologischen Simulation beobachtet haben", sagt Chon. "Wir
sind von keinen besonderen Annahmen ausgegangen: keine fein abgestimmten
Bedingungen, keine künstlichen Auslöser. Die Physik von Strahlung, Schwerkraft
und Gasdynamik führte auf natürliche Weise zur Entstehung dieser schweren
Keime." Die Simulationen zeigen, dass diese Schwarzen-Loch-Keime nach ihrer
Entstehung von dichten, opaken Gasscheiben umgeben sind. Diese Umgebung fängt
Strahlung ein und ermöglicht es den Schwarzen Löchern, Materie mit Raten
anzuhäufen, die um das Zehnfache über dem Eddington-Limit liegen, also dem
theoretischen Maximum.
Diese "Super-Eddington"-Phase dauert nur einige hunderttausend Jahre, reicht
aber aus, damit das Schwarze Loch bei einer Rotverschiebung von z ≈ 8 – nur 600
Millionen Jahre nach dem Urknall – von einer Million auf 30 Millionen
Sonnenmassen anwächst. An dieser Stelle kommen die "Little Red Dots" ins Spiel.
Das JWST hat kürzlich eine mysteriöse Population kompakter, roter Quellen bei
Rotverschiebungen von z > 4–6 entdeckt. Diese "Little Red Dots" (LRDs) sind im
sichtbaren Licht schwach, im Infrarotspektrum jedoch hell. Sie weisen starke
Wasserstoff-Emissionslinien sowie rote Kontinua auf, was auf dichtes,
undurchsichtiges Gas hindeutet.
Bislang war ihr Ursprung ein Rätsel. Die neuen Simulationen zeigen, dass die
LRDs nicht einfach weit entfernte Galaxien sind, sondern kurzlebige, versteckte
Phasen der Entstehung massereicher Schwarzer Löcher. Das dichte Gas, das das
wachsende Schwarze Loch umgibt, wirkt wie ein kosmischer Kokon, der das Licht
streut und die roten, strukturreichen Spektren erzeugt, die vom JWST beobachtet
wurden. Die starke H-Alpha-Emission stammt demnach direkt aus dem dichten Gas,
das das Schwarze Loch umgibt, und nicht aus einer separaten Breitlinienregion.
"Das passt perfekt", erklärt Chon. "Die Simulationen geben die
Spektralmerkmale von LRDs auf natürliche Weise wieder. Wir erklären nicht nur
die Masse des Schwarzen Lochs, sondern das gesamte Beobachtungsmuster." Die
Studie löst zudem ein seit langem bestehendes Paradoxon auf. Warum sind manche
frühen Schwarzen Löcher weitaus massereicher, als es auf der Grundlage lokaler
Skalierungsbeziehungen zu erwarten wäre? Die Antwort liegt in der frühen,
raschen Wachstumsphase. Sobald sich das Schwarze Loch in einer Galaxie etabliert
hat, wächst es zwar langsamer, dafür aber stabiler weiter. Die Entstehung des
massereichen Keims in den ersten paar hunderttausend Jahren schafft die
Voraussetzungen für die heute beobachteten supermassereichen Schwarzen Löcher.
Die Auswirkungen gehen jedoch weit über Schwarze Löcher hinaus. Diese frühen,
massereichen Keime spielten höchstwahrscheinlich eine entscheidende Rolle bei
der Entstehung der ersten Galaxien, indem sie mächtige Ausflüsse antrieben und
die Sternentstehung beeinflussten. Zudem sind sie die wahrscheinlichsten
Vorläufer der Gravitationswellenquellen, die von zukünftigen Missionen wie LISA
nachgewiesen werden sollen.
"Diese Arbeit verbindet die ersten Sterne, die ersten Schwarzen Löcher und
die ersten Galaxien miteinander", sagt Volker Springel, Mitautor und Direktor am
MPA. "Wir simulieren nicht nur Schwarze Löcher, sondern die Entstehung der
kosmischen Strukturen, die wir heute sehen." Da das JWST immer mehr LRDs
aufdeckt und zukünftige Teleskope tiefer in das frühe Universum vordringen,
bietet dieses neue Modell einen aussagekräftigen Ansatz, um zu verstehen, wie
sich der Kosmos von der Dunkelheit zum Licht entwickelt hat. "Wir haben gezeigt,
dass die massereichsten Schwarzen Löcher des Universums kein Wunder brauchten –
sie brauchten lediglich die richtigen Bedingungen", fasst Chon zusammen. "Und
diese Bedingungen waren im frühen Kosmos bereits gegeben."
Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der
Zeitschrift Nature erschienen ist.
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