Japanischer Supercomputer liefert Erklärung für „Little Red Dots“

In einer neuen Studie haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Astrophysik gemeinsam mit ihren japanischen Kollegen ein seit Langem bestehendes Rätsel der modernen Astrophysik gelöst: Wie konnten sich supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum so schnell bilden? Das Team nutzte die bislang detailliertesten kosmologischen Simulationen, um zu 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 wachsen rasch durch Super-Eddington-Akkretion, was die Existenz der vom James-Webb-Weltraumteleskop beobachteten „Little Red Dots“ (LRDs) erklärt. Die Studie verbindet die Entstehung dieser frühen Schwarzen Löcher mit der Entwicklung der ersten Galaxien und liefert ein umfassendes Verständnis dafür, wie diese mächtigen Objekte so früh im Universum entstanden sind.

Der 1,99-Petaflops-Rechner ATERUI III der japanischen Nationalsternwarte

Quelle: NAOJ

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 Astronomen jahrzehntelang vor ein Rätsel gestellt. Nun hat eine neue Studie unter der Leitung von Sunmyon Chon am MPA mithilfe ausgefeilter Simulationen des frühen Universums eine überzeugende Antwort geliefert.

Wie die Untersuchung zeigt, können sich „Schwarze-Loch-Keime” mit Massen von bis zu einer Million Sonnenmassen auf natürliche Weise in dichten, frühen Gruppen von Galaxien bilden, 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 JWST im frühen Universum beobachtet wurden.

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Galaxien am Rand des Universums

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.“

Den Simulationen zufolge sind diese Schwarz-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 z ≈ 8 – nur 600 Millionen Jahre nach dem Urknall – von einer Million auf dreißig 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 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.

Entste­hung und Ent­wick­lung masse­reicher Keime Schwar­zer Löcher in der kosmo­lo­gi­schen strah­lungs­hydro­dyna­mi­schen Simu­la­tion. Der Kreis mar­kiert den be­nach­bar­ten Quell­halo, der die für die Bil­dung schwe­rer Keime erfor­der­li­che star­ke FUV-Strah­lung lie­fert.

Quelle: MPA

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-α-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.“ [MPA / dre]