Nur eine halbe Milliarde Jahre nach dem Urknall wurde ein supermassereiches Schwarzes Loch gefunden – Ars Technica

Beim Durchforsten einiger der ältesten Galaxien im Universum haben Forscher eine Galaxie entdeckt, die offenbar ein aktiv ernährendes zentrales Schwarzes Loch enthält. Basierend auf der Strahlungsmenge, die sie aussendet, schätzen Forscher, dass sie etwa die Hälfte der Masse der gesamten Galaxie ausmacht, was im Vergleich zu modernen Galaxien erstaunlich viel ist.

Die Tatsache, dass ein so großes Objekt erst eine halbe Milliarde Jahre nach dem Urknall existieren konnte, legt strenge Beschränkungen für seine Entstehung fest, was stark darauf hindeutet, dass supermassereiche Schwarze Löcher entstanden sind, ohne einen Zwischenschritt mit einem Stern zu durchlaufen.

Alte Röntgenbilder

Die ersten uns bekannten Galaxien im Universum wurden mit dem James-Webb-Weltraumteleskop identifiziert, das einen Galaxienhaufen im Vordergrund nutzte, der durch Gravitationslinsen auf entfernte Galaxien heranzoomte. Mithilfe der Linse eines speziellen Arrays identifizierte Webb 11 Galaxien, die abgebildet wurden, weil sie weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existierten.

Ein internationales Astronomenteam beschloss, diese Galaxien zu untersuchen, um die Existenz supermassereicher Schwarzer Löcher im Zentrum moderner Galaxien zu bestätigen. Wenn sich diese Galaxien ernähren, emittieren sie große Mengen an Röntgenstrahlung, weshalb sich die Forscher an Chandra wandten Um genügend Daten zu sammeln, verbrachte Chandra bis zu zwei Wochen damit, einen Ort zu fotografieren.

Es gab eine eindeutige Übereinstimmung mit einer Galaxie namens UHZ1, die durch Gravitationslinsen fast vierfach vergrößert wurde. Die Röntgenstrahlen von diesem Ort ragten um vier Standardabweichungen vom Hintergrund ab. (Möglicherweise gibt es Informationen über Röntgenstrahlen, die mit den anderen 10 Galaxien in Verbindung stehen, aber die Forscher sagen, dass sie diese separat veröffentlichen werden.) UHZ1 hat eine Rotverschiebung von z=10, was bedeutet, dass wir es so betrachten, wie es vor etwa 500 Millionen existierte Jahre nach dem Urknall.

Die von dieser Röntgenquelle stammende Energiemenge entspricht aktiven galaktischen Kernen, bei denen es sich um Objekte handelt, die ihre Energie von einem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie beziehen. Basierend auf den erfassten Wellenlängen gehen Forscher davon aus, dass das Objekt in einer Hülle aus Staub und Gas in seiner Muttergalaxie enthalten ist.

Wie schnell frisst ein Schwarzes Loch?

Um diese Ergebnisse zu verstehen, müssen Sie das Eddington-Limit verstehen, das bestimmt, wie schnell ein Schwarzes Loch Material aus seiner Umgebung verschmilzt. Es wurde nach ihm benannt Arthur Eddington, der die ersten Berechnungen dazu durchführte, wurde die Grenze dadurch bestimmt, dass Materie Energie verlieren muss, um in das Schwarze Loch zu fallen, sonst würde sie einfach in der Umlaufbahn um das Schwarze Loch bleiben. Diese Energie geht als Strahlung verloren, die von der Materie in der Nähe absorbiert und vom Schwarzen Loch weggedrückt wird.

Selbst wenn einem Schwarzen Loch ausreichend Material zur Verfügung steht, von dem es sich ernähren kann, ist seine Nahrung am Ende begrenzt: Es ernährt sich von zu viel und die Strahlung erstickt seine Nahrungsversorgung. Angesichts der Masse des Schwarzen Lochs kann die Eddington-Grenze als die maximale Menge an Materie berechnet werden, die es in einer bestimmten Zeit aufnehmen kann.

Es gibt Möglichkeiten, die Eddington-Grenze zu überschreiten, wenn Material auf das Schwarze Loch gerichtet ist. Diese erfordern jedoch sehr spezifische Gaszusammensetzungen, die das Material direkt unterhalb des Schwerkraftschachts beschicken, sodass man davon ausgeht, dass die Eddington-Superspeisung eine vorübergehende Abweichung darstellt.

Die erste Möglichkeit, wie das Eddington-Limit ins Spiel kommt, besteht darin, dass es Forschern hilft, die Größe des Schwarzen Lochs abzuschätzen. Angesichts der Menge an Energie, die es aussendet, und unter der Annahme, dass es sich an der Eddington-Grenze speist, können Sie eine Untergrenze für die Masse des Schwarzen Lochs festlegen (wenn es unterhalb der Eddington-Grenze speisen würde, wäre es schwerer). Basierend auf dieser Berechnung muss das Schwarze Loch in UHZ1 mindestens 10 sein⁷ mal die Masse der Sonne.

Basierend auf Schätzungen der Masse der Sterne in UHZ1 lässt dies darauf schließen, dass das zentrale Schwarze Loch die Hälfte der Masse der Galaxie ausmacht. Oder anders ausgedrückt: Das Schwarze Loch ist fast so massiv wie alles andere in der Galaxie zusammen.

Im aktuellen Universum machen zentrale supermassereiche Schwarze Löcher nur etwa 0,1 % der Masse ihrer Galaxien aus. Das deutet also darauf hin, dass wir UHZ1 in einem sehr frühen Entwicklungsstadium erfasst haben, was angesichts seines Alters nicht verwunderlich ist.

Wie man ein supermassereiches Schwarzes Loch baut

Diese Arbeit hat auch wichtige Auswirkungen auf die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher. Es gab zwei Ideen, wie sich so etwas entwickeln könnte. Eine Theorie besagt, dass die ersten Sterne sehr groß waren und ungewöhnlich große Schwarze Löcher bildeten. Diese wären durch Fusionen schnell gewachsen und hätten sich von der dichten Gasumgebung der ersten Galaxien ernährt.

Die gegenteilige Ansicht ist, dass dieses Wachstum zu langsam erfolgt wäre. Stattdessen wird argumentiert, dass supermassereiche Schwarze Löcher schon immer sehr groß waren und sich sehr früh in der Geschichte des Universums durch den direkten Kollaps extrem dichter Gaswolken bildeten.

Die Forscher führten die Berechnungen durch und gingen davon aus, dass das Schwarze Loch etwa 200 Millionen Jahre nach dem Urknall entstand. Sie fanden heraus, dass ein Schwarzes Loch, das durch den direkten Kollaps einer Gaswolke entstanden ist, während seiner gesamten Geschichte an der Eddington-Grenze Nahrung aufnehmen müsste, um die Masse von UHZ1 zu erreichen. Im Gegensatz dazu müsste ein Schwarzes Loch, das durch eine Supernova eines der ersten Sterne entstanden ist, im Laufe seiner gesamten Geschichte das Doppelte der Eddington-Grenze fressen.

Diese Analyse berücksichtigt keine Verschmelzungen, aber die Forscher weisen darauf hin, dass ein kleineres Schwarzes Loch eine relativ geringe Anziehungskraft hätte, sodass es nicht so viele seiner Nachbarn zur Verschmelzung einfangen könnte. Obwohl Eddington-Superfeeding möglich ist, ist es unwahrscheinlich, dass es Hunderte von Millionen Jahren anhält, die für die Bildung eines Schwarzen Lochs dieser Größe erforderlich sind.

Es ist wichtig, dieses Ergebnis mit einiger Vorsicht zu betrachten, da es sich um das erste supermassive Schwarze Loch handelt, das wir einer solchen Analyse unterziehen konnten. Aber wenn wir Webb nutzen, um mehr über diese frühen Galaxien zu erfahren, werden wir wahrscheinlich in der Lage sein, einen vollständigen Satz früher Schwarzer Löcher zur Analyse zu entwickeln. Dies könnte uns letztendlich ein klareres Bild seiner Entstehung und Entwicklung vermitteln.

Natürliche Astronomie, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-02111-9 (Über digitale IDs).