Riesiges Schwarzes Loch stellt frühe Universumstheorien in Frage

Das James Webb hat seiner Sammlung eine weitere spektakuläre Sichtung hinzugefügt. In einer Pressemitteilung entdeckt von ScienceAlertgaben Forscher bekannt, dass der König der Teleskope ihnen erlaubt habe, ein Schwarzes Loch wie kein anderes zu dokumentieren, und das aus gutem Grund: Das ist es so schwer und so alt, dass es allen aktuellen kosmologischen Modellen widerspricht.

Die Entdeckung dieses Objekts, genannt J1120+0641, stammt aus dem Jahr 2011. Mehrere Jahre lang war es das älteste jemals dokumentierte Schwarze Loch. Auch wenn die Astronomen nicht viele Informationen daraus gewinnen konnten, wussten wir dennoch, dass es vor etwas mehr als 13 Milliarden Jahren entstand. etwa 770 Millionen Jahre nach dem Urknall. Doch seitdem hat die Technologie mit der Einführung neuer hochmoderner Instrumente wie denen des James Webb-Weltraumteleskops große Fortschritte gemacht. Dies öffnete den Weg für viele weitere Beobachtungen und der Status dieses Schwarzen Lochs änderte sich angesichts dieser neuen Informationen völlig.

Heute ist sein Alter kein Rekord mehr. In den letzten Jahren hat JWST seine Linse auf noch ältere Schwarze Löcher wie das in der GN-z11-Galaxie gerichtet, die vor etwa 13,4 Milliarden Jahren entstand – also nur 400 Millionen Jahre nach dem Urknall. Um zu verstehen, was es für Forscher so faszinierend macht, sein Alter reicht nicht aus; seine Masse muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Ein Objekt, das im Vergleich zu seinem Alter zu massiv ist

Tatsächlich wurde dies geschätzt zwischen einer und zwei Milliarden Mal so groß wie die Sonne. Es fällt daher größtenteils in den geschlossenen Kreis der sogenannten supermassereichen Schwarzen Löcher, diese wahren Titanen sind so imposant, dass ihr Gravitationseinfluss ganze Galaxien strukturieren kann. Und selbst im Vergleich zu anderen Mitgliedern dieser Kategorie ist dieses Exemplar besonders groß. Als Referenz: Sagittarius A*, das supermassereiche Schwarze Loch, das das Zentrum der Milchstraße einnimmt, hat „nur“ etwa 4 Millionen Sonnenmassen.

Dies ist jedoch kein absoluter Rekord. Astronauten haben bereits mehrere andere entdeckt, die noch viel massiver sind. Wir können M87 nennen, das supermassive Schwarze Loch mit 6,5 Milliarden Sonnenmassen, das 2019 als erstes direkt fotografiert wurde, oder sogar NGC 4889 mit 21 Milliarden Sonnenmassen. Ganz oben auf dieser Skala finden wir TON 618, das imposanteste bisher entdeckte Schwarze Loch mit unglaublichen 66 Milliarden Sonnenmassen auf der Uhr.

J1120+0641 fällt überhaupt nicht in die gleiche Kategorie wie Letzteres. Im Vergleich zu ihnen würde er fast wie ein Schwächling aussehen. Aber wenn man sowohl seine Masse als auch sein Alter in die Gleichung einbezieht, erhält man ein Objekt, das völlig abweichend erscheint.

Tatsächlich versetzt ihn sein Alter in eine Ära namensKosmische Morgendämmerung, die entscheidende Zeit, in der sich die allerersten Sterne zu bilden begannen und den Kosmos erleuchteten. Allerdings sollten supermassereiche Schwarze Löcher, die so früh (relativ gesehen) in der Geschichte des Universums auftauchen, theoretisch deutlich weniger imposant sein. Als Referenz: Das Schwarze Loch von GN-z11 ist auf „nur“ 2 Millionen Sonnenmassen begrenzt, also 500-mal kleiner als J1120+0641! Und im Moment haben Astronomen große Schwierigkeiten zu erklären, wie ein solcher Gigant während der kosmischen Morgendämmerung entstanden sein konnte.

Um die theoretische Masse eines Schwarzen Lochs abzuschätzen, verlassen sich Forscher weitgehend auf das Eddington-Limit. Es kommt auf die Balance zwischen an Gravitationskräfteauf die Mitte des Objekts gerichtet, und die Strahlungsdruck was in die entgegengesetzte Richtung funktioniert. Jenseits dieser Grenze würde das durch die vom Schwarzen Loch ausgehenden Dantesken Kräfte überhitzte Material so leuchtend werden, dass der Strahlungsdruck die Gravitation übertreffen würde und das Objekt am Wachstum hindern würde. Um jedoch so früh in der Geschichte des Universums die Milliarde Sonnenmasse zu überschreiten, hätte J1120+0641 die Eddington-Grenze durchbrechen müssen.

Alternative Titel brechen zusammen

Um diese ausgesprochen beunruhigende Inkonsistenz zu erklären, suchten Astronomen nach einem anderen Weg: dem vonSupra-Eddington-Akkretion. Die Idee dahinter ist, dass ein supermassereiches Schwarzes Loch, wenn es plötzlich zu einem Zeitpunkt aktiviert wird, an dem es über große Mengen an Material verfügt, eine gigantische Menge an Material verschlucken könnte, bevor der Strahlungsdruck wirksam wird. Und damit vorübergehend die Eddington-Grenze überschreiten.

Damit dieses Szenario Bestand hat, musste jedoch bestätigt werden, dass J1120+0641 über ausreichend Gas- und Staubmengen verfügt, die es ihm ermöglichen, sich mit rasanter Geschwindigkeit aufzufressen. Forscher richteten daher im vergangenen Jahr das JWST und seine leistungsstarken Infrarotsensoren auf das Schwarze Loch. Sie hofften, Spuren eines solchen Banketts zu finden. Doch nachdem sie die Daten mehr als ein Jahr lang analysiert hatten, kamen sie schließlich mit leeren Händen da. Alles deutet darauf hin, dass das Schwarze Loch die Eddington-Grenze perfekt einhält und für einen Giganten dieser Art Materie mit einer normalen Geschwindigkeit absorbiert.

Mit anderen Worten: Die JWST-Beobachtungen haben die Spur der Supra-Eddington-Akkretion abgebrochen. Ohne ihre beste Hypothese fragten sich die Autoren der Studie, ob sie die Daten möglicherweise falsch interpretiert hätten. Entsprechend ScienceAlertBeispielsweise könnte ein Überschuss an Staub unbemerkt geblieben sein und das Team dazu veranlasst haben, die Masse des Objekts zu überschätzen. Aber egal wie sehr die Forscher die Bilder in alle ihnen zur Verfügung stehenden Wellenlängen zerlegten, sie fanden keine Spur eines solchen Clusters. Das Geheimnis bleibt also vollständig.

« Letztendlich verstärken diese neuen Beobachtungen das Rätsel nur: Dieser frühe Quasar ist überraschend normal, egal welche Wellenlänge wir beobachten », erklärt Sarah Bosman, Postdoktorandin am renommierten Max-Planck-Institut und Hauptautorin der Studie, in einer Pressemitteilung.

Der Ball liegt bei Webb

Aber das ist keine Enttäuschung. Indem sie zeigten, dass ursprüngliche Schwarze Löcher denselben Regeln folgen wie die jüngsten, haben die Forscher vor allem gezeigt, dass es zweifellos viel über die Entstehung von Schwarzen Löchern und Galaxien zu lernen gibt. Eine sehr aufregende Aussicht, die Astronomen dazu bringen wird, neue Wege zu gehen. Die Autoren identifizierten beispielsweise eine weitere Möglichkeit, die zur Erklärung dieser Kombination aus Masse und Alter beitragen könnte: J1120+0641 könnte bei der Geburt fettleibig gewesen sein.

Tatsächlich könnten die Ergebnisse konsistent sein, wenn das Schwarze Loch mit a entstanden wäre Anfangsmasse von mindestens 100.000 Sonnenmassen, verglichen mit 5 bis 10 für ein typisches Schwarzes Loch. Aber auch hier sind die Mechanismen nicht klar. Nach Angaben des Teams könnte J1120+0641 von stammenGravitationskollaps einer riesigen Urgaswolke, im Gegensatz zu den eher klassischen Schwarzen Löchern, die entstehen, wenn ein isolierter massereicher Stern stirbt. Aber was auch immer passiert, wir müssen warten, bis wir bei Cosmic Dawn weitere Titanen dieser Art entdecken, um zu hoffen, dieses Szenario zu bestätigen.

Daher ist es angebracht, die Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops sorgfältig zu verfolgen, das seit seiner Inbetriebnahme immer wieder die Grenzen des beobachtbaren Universums erweitert.

Den Text der Studie finden Sie hier.

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