Faszination Universum - Das fernste Schwarze Loch im Kosmos
Von: Markus Pössel
Astronomen haben den entferntesten bekannten Quasar entdeckt – so weit von uns entfernt, dass sein Licht mehr als dreizehn Milliarden Jahre brauchte, um uns zu erreichen. Wir sehen diesen Quasar so, wie er 690 Millionen Jahre nach dem Urknall war, und sein Licht liefert wertvolle Informationen über die frühe Geschichte des Universums. Im Zentrum des Quasars befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von fast einer Milliarde Sonnenmassen. Die Wirtsgalaxie des Quasars enthält bereits grosse Mengen an Gas und Staub – eine Herausforderung für die gängigen Modelle der Galaxienentwicklung. Die Ergebnisse wurden nun in Nature und in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
Die Entdeckung war das Ergebnis einer systematischen, mehrjährigen Suche nach fernen Quasaren unter der Leitung von Fabian Walter und Bram Venemans vom Max-Planck-Institut für Astronomie. Der neue Rekordhalter wurde von Eduardo Bañados von der Carnegie Institution for Science mit den Magellan-Teleskopen der Institution (Spiegeldurchmesser 6,5 Meter) in Chile gefunden.
Für den beachtlichen Energieausstoss eines Quasars ist jeweils das supermassereiche zentrale Schwarze Loch der betreffenden Galaxie verantwortlich – in diesem Fall ein schwarzes Loch mit fast einer Milliarde Mal der Masse der Sonne. Gas, welches auf das Schwarze Loch zu fällt, bildet vor dem Hineinfallen eine ultraheisse Akkretionsscheibe. Diese heisse Scheibe macht die Anordnung zu einem der hellsten Objekte im Universum: zu einem Quasar. Der jetzt neu entdeckte Quasar leuchtet so hell wie vierzig Billionen Sonnen.
Ferne Quasare liefern wertvolle Informationen über das frühe Universum. Zum einen können sie dazu verwendet werden, das Universum über grosse Entfernungen regelrecht zu durchleuchten: Das Spektrum des Quasar-Lichts enthält Informationen über die Wasserstoffatome, denen das Licht auf seiner Milliarden Jahre währenden Reise begegnet ist. Das Licht des neu entdeckten entferntesten Quasars enthält sogar Informationen über eine der frühesten Phasen des Universums, die sogenannte Reionisierungsphase.
Etwa 380‘000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum ausreichend abgekühlt, um Wasserstoffatome zu bilden. Einige hundert Millionen Jahre später reionisierten die Ultraviolett-Strahlung der ersten Sterne und der Akkretionsscheiben der ersten Schwarzen Löcher fast den gesamten Wasserstoff im Universum (trennten also die jeweiligen Elektronen von den Wasserstoffkernen, den Protonen).
Wann und wie die Reionisierung im Einzelnen stattfand ist eine offene Frage der Forschung. Eduardo Bañados, Hauptautor des Artikels, der die Quasar-Entdeckung beschreibt, sagt: "Die Reionisierung war der letzte grosse Phasenübergang des Universums und zeigt uns auch die Grenzen unseres astrophysikalischen Wissens auf."
Der neu entdeckte Quasar liefert zur Reionisierung einen entscheidenden neuen Datenpunkt: Sein Licht zeigt, dass ein beachtlicher Anteil des Wasserstoffs 690 Millionen Jahre nach dem Urknall noch neutral, also noch nicht ionisiert war. Das spricht für Modelle, denen zufolge die Reionisierung erst relativ spät in der Geschichte des Universums stattgefunden hat.
Quasare, die so jung sind wie der jetzt entdeckte, liefern ausserdem wertvolle Informationen über die Entwicklung von Galaxien. Mit fast einer Milliarde Sonnenmassen ist das zentrale Schwarze Loch dieses Quasars bereits sehr massereich.
Die Erklärung, wie sich solch ein massives Schwarzes Loch in so kurzer Zeit gebildet haben könnte, stellt die herkömmlichen Modelle für die Entstehung und Entwicklung supermassiver Schwarzen Löcher vor eine Herausforderung – und schliesst einige dieser Modelle bereits aus.
Bañados sagt: "Wie das Schwarze Loch innerhalb von weniger als 690 Millionen Jahren eine so grosse Masse ansammeln konnte, stellt für die Theorien zum Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher eine enorme Herausforderung dar."
Unter der Leitung von Bram Venemans vom MPIA beobachteten die Astronomen den Quasar ausserdem mit dem Millimeter-Teleskop NOEMA, das in den französischen Alpen vom Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) betrieben wird, sowie mit dem VLA-Radioteleskop-Array in Socorro, New Mexico. So konnten die Astronomen die Wirtsgalaxie des Quasars identifizieren und untersuchen.
Obwohl diese Galaxie ebenfalls nicht älter als 690 Millionen Jahre sein kann, hat sie bereits eine enorme Menge an Staub und schweren chemischen Elementen gebildet. Daraus folgt direkt, dass sie auch bereits eine grosse Anzahl von Sternen gebildet haben muss. Eine weitere Herausforderung für Modelle, diesmal für Modelle der Galaxienentwicklung.
Bram Venemans sagt: "Modelle der Galaxienentwicklung müssen jetzt erklären, wie diese Galaxie in derart kurzer Zeit so viele Sterne bilden konnte, wie uns die beobachteten Mengen an Staub und schwereren chemischen Elementen anzeigen."
Die ersten Beobachtungen des neu entdeckten Quasars haben den Astronomen bereits wichtige Informationen über die kosmische Geschichte geliefert. Folgebeobachtungen sowie die Suche nach vergleichbar fernen Quasaren sollen das Bild der frühen kosmischen Geschichte jetzt auf eine solide Basis stellen.
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