James-Webb-Weltraumteleskop entdeckt Baby-Quasare

Ein Haufen kleiner roter Punkte in einer winzigen Region unseres Nachthimmels könnte eine unerwartete Entdeckung gleich im ersten Betriebsjahr des James-Webb-Weltraum­teleskop (JWST) darstellen: Bisher waren diese Objekte durch die Augen des älteren Hubble-Weltraum­teleskops nicht von normalen Galaxien zu unterscheiden. „Ohne für diesen speziellen Zweck entwickelt worden zu sein, hat uns das JWST dabei geholfen, fest­zustellen, dass es sich bei den lichtschwachen kleinen roten Punkten um kleine Versionen von extrem massereichen schwarzer Löcher handelt, die sehr weit weg – in der fernen Vergangenheit des Universums – zu finden sind. Diese speziellen Himmels­körper könnten unser Verständnis der Entstehung schwarzer Löchern verändern“, sagt Jorryt Matthee vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA). „Die vorliegenden Ergebnisse könnten uns einen Schritt näher an die Lösung eines der größten Dilemmas der Astronomie bringen: Nach den derzeitigen Modellen sind einige supermasse­reiche schwarze Löcher im frühen Universum einfach zu schnell gewachsen. Wie sind sie also entstanden?“

Einige der faszi­nierendsten schwarzen Löcher sind die supermasse­reichen schwarzen Löcher, kurz SMBH, genannt. Diese können die millionen- bis milliarden­fache Masse unserer Sonne erreichen. Mittlerweile sind sich Astrophysiker einig, dass sich im Zentrum fast jeder großen Galaxie ein supermasse­reiches schwarzes Loch befindet. Sogar im Zentrum der Milchstraße existiert Sagittarius A*, ein SMBH, das mehr als das Viermillionen­fache der Sonnenmasse hat. Für diesen Nachweis wurde der Nobelpreis für Physik 2020 verliehen.

Doch nicht alle supermasse­reichen schwarzen Löcher sind gleich. Während Sagittarius A* mit einem schlafenden Vulkan verglichen werden könnte, wachsen manche andere extrem schnell, indem sie astronomische Mengen an Materie verschlingen. Dadurch strahlen sie so viel Licht aus, dass sie bis an den Rand des sich immer weiter ausdehnenden Universums beobachtet werden können. Diese supermasse­reichen schwarze Löcher werden als Quasare bezeichnet und gehören zu den hellsten Objekten im Universum. „Ein Problem bei Quasaren ist, dass einige von ihnen viel zu massiv zu sein scheinen, vor Allem angesichts des Alters des Universums, in dem diese Quasare beobachtet werden. Wir nennen sie die ‚proble­matischen Quasare‘“, sagt Matthee. „Wenn man bedenkt, dass Quasare aus den Explosionen massereicher Sterne entstehen und dass wir ihre maximale Wachstumsrate aus den allgemeinen Gesetzen der Physik kennen, sehen einige von ihnen so aus, als wären sie schneller gewachsen, als es möglich ist. Es ist wie ein fünfjähriges, aber zwei Meter großes Kind zu sehen. Irgendetwas passt also nicht zusammen“, erklärt er. 

Jetzt haben Matthee und seine Kolleginnen und Kollegen mehrere Himmelskörper identi­fiziert, die auf den JWST-Bildern als kleine rote Punkte erscheinen. Außerdem zeigen sie, dass es sich bei diesen Himmelskörpern um supermasse­reiche schwarze Löcher handelt, die jedoch nicht unverhältnismäßig groß sind. Entscheidend für die Feststellung, dass es sich bei diesen Himmelskörpern um supermasse­reiche schwarze Löcher handelt, war der Nachweis von Hα-Spektral­linien mit breiten Linienprofilen. Die Breite der Spektren spiegelt die Bewegung des Gases wider. „Je breiter die Basis der Hα-Linien ist, desto höher ist die Geschwin­digkeit des Gases. Diese Spektren verraten uns also, dass wir es mit einer sehr kleinen Gaswolke zu tun haben, die sich extrem schnell bewegt und um etwas sehr Massereiches wie ein supermasse­reiches schwarzes Loch kreist“, sagt Matthee. 

Bei den kleinen roten Punkten handelt es sich jedoch nicht um die riesigen kosmischen Monster, die man in übermäßig großen Quasaren findet. „Während die problema­tischen Quasare blau und extrem hell sind und die milliardenfache Masse der Sonne erreichen, sind die kleinen roten Punkte eher wie Baby-Quasare. Ihre Massen liegen zwischen zehn und hundert Millionen Sonnenmassen. Außerdem erscheinen sie rot, weil sie staubig sind. Der Staub verschleiert die schwarzen Löcher und lässt ihr Licht rot aussehen“, sagt Matthee. Aber irgendwann wird der Gasausfluss der schwarzen Löcher den Staubkokon durchdringen, und aus diesen kleinen roten Punkten werden sich Riesen entwickeln. Der Astrophysiker und sein Team vermuten daher, dass es sich bei den kleinen roten Punkten um kleine, rote Versionen von riesigen blauen supermasse­reichen schwarzen Löchern handelt, die sich in einer frühen Entwicklungsphase befinden. „Die genauere Untersuchung dieser Baby-Quasare wird uns ermöglichen, besser zu verstehen, wie problematische Quasare zustande kommen.“

Matthee und sein Team konnten die Baby-Quasare dank der Datensätze der JWST-Programme EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) und FRESCO (First Reionization Epoch Spectro­scopically Complete Observations) finden. Dies sind ein großes und ein mittleres JWST-Programm, an denen Matthee beteiligt war. „EIGER wurde entwickelt, um speziell die seltenen blauen supermasse­reichen Quasare und ihre Umgebungen zu untersuchen. Das Ziel war nicht die kleinen roten Punkte zu finden, aber wir haben sie zufällig im selben Datensatz gefunden. Das liegt daran, dass EIGER mit der Nahinfrarot­kamera des JWST Emissions­spektren von allen Himmelskörpern aufnimmt“, sagt Matthee. „Wenn Sie Ihren Zeigefinger heben und Ihren Arm vollständig ausstrecken, entspricht der von uns untersuchte Bereich des Nachthimmels etwa einem Zwanzigstel der Oberfläche Ihres Nagels. Bislang haben wir also wahrscheinlich nur an der Oberfläche gekratzt.“

Matthee ist zuversichtlich, dass diese Ergebnisse viele neue Forschungs­richtungen eröffnen und zur Beantwortung einiger der großen Fragen über das Universum beitragen werden. „Schwarze Löcher aller Art gehören wohl zu den interessan­testen Himmelskörpern überhaupt. Es ist schwer zu erklären, warum sie existieren, aber sie sind eben da. Wir hoffen, dass diese Arbeit uns helfen wird, eines der größten Rätsel des Universums zu lösen“, schließt er.

ISTA / JOL