Schwarzer Gigant aus kosmischer Urzeit überrascht Astronomen

Künstlerische Darstellung des Quasars SDSS J1106+1939. Bild: ESO

Astronomen entdecken einen urzeitlichen Quasar, in dem ein extrem helles und massereiches Schwarzes Loch haust, das dort eigentlich nicht in dieser Größenklasse sein sollte

In der aktuellen Ausgabe des Nature berichtet ein internationales Astronomenteam über die Entdeckung eines ungewöhnlichen Quasars. Sie stellen ihn als den bei weitem hellsten Quasar des jungen Universums vor, der zirka 900 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sein und 420 Billionen Mal so hell wie unsere Sonne strahlen soll. Das Schwarze Loch, das ihn befeuert, ist derart massereich, dass sich die Astronomen fragen, wie es so schnell in kosmischer Urzeit wachsen konnte und woher es dereinst seine Energie bezogen hat. Streng genommen passt dieses supermassive Schwarze Loch nicht in diese kosmische Epoche, weil in dieser Ära das Gros der Ur-Galaxien noch nicht masse- und sternenreich genug war, um sein Wachstum zu erklären.

Einer der größten Paradigmenwechsel in der Astronomiegeschichte ereignete sich im Jahr 1923, als der bis dahin noch völlig unbekannte Astronom Edwin Hubble die von Immanuel Kant und Wilhelm Herschel postulierten Welteninseln erstmals in Gestalt der Andromeda-Galaxie (M31) auflöste und den extragalaktischen Status der vermeintlichen nebelartigen Struktur anhand der Cepheiden-Variablen bestätigte und dessen Entfernung zur Erde maß.

Kosmologische Rotverschiebung

Binnen kurzer Zeit endete eine jahrzehntelang währende Diskussion. Mit einem Male setzte sich die Erkenntnis durch, dass neben unserer Galaxis in der Weite des kosmischen Wüstenmeers noch unzählige andere galaktische Materieoasen existieren. Fortan war evident, dass die Milchstraße nur eine von vielen Galaxien im Universum war. Das All war viel größer als zuvor angenommen.

Als Hubble sechs Jahre später mittels seines leistungsstarken Fernrohres und mithilfe der Spektralanalyse das einfallende Licht von weit entfernten Galaxien sezierte, beobachtete er eine Verschiebung der Spektrallinien zum roten Ende des elektromagnetischen Spektrums, also zu den größeren Wellenlängen hin. Diese Rotverschiebung erlaubte nur einen Schluss: Die von ihm observierten Galaxien bewegen sich von der Erde fort. Das Weltall expandiert. Gleichsam einem Luftballon bläht sich der Raum auf und sorgt auf diese Weise für ein Auseinanderdriften der "Milchstraßen", wobei sich fraglicher Raum jedoch nicht in einem bereits bestehenden Raum ausdehnt.

Der Mann, der die kosmologische Rotverschiebung zwar nicht entdeckte, dafür sie aber als Erster mit der Entfernung der Galaxien und die kosmologische Expansion in Relation setzte: Edwin Hubble mit seinem 2,5-Meter-Spiegel und seiner obligaten Pfeife. Bild: NASA

Wichtiger Parameter

Heute wissen die Nachfolger Hubbles, dass das Universum seit dem Urknall mit zunehmender Geschwindigkeit expandiert und die sich in ihm befindlichen Galaxien immer schneller voneinander entfernen. Mithilfe der Rotverschiebungsrate können Astronomen auch auf das Alter und die Entfernung des observierten Objektes rückschließen. Dabei folgen sie einer einfachen Formel: Je höher der Wert, desto größer ist die Distanz des observierten Himmelskörper zum Beobachter und desto schneller bewegt er sich von ihm fort.

Wie wertvoll dieser Parameter ist, belegt nunmehr eine Entdeckung, über die ein internationales Team von Astronomen in der aktuellen Ausgabe des englischen Wissenschaftsjournals Nature (Nature Bd. 518, S. 512-515, 26.02.2015) berichtet. Ihnen gelang es, unter Einbeziehung der Rotverschiebungsrate und mittels Archivdaten sowie Nachfolgebeobachtungen mit Teleskopen den bislang leuchtstärksten Quasar aus der Frühzeit des Universums zu lokalisieren, der von einem extrem supermassereichen Schwarzen Loch angetrieben wird.

Chandra-Deep-Space-Aufnahme. Viele der hier zu sehenden großen Galaxien haben inaktive SMBHs, die einst Quasare gewesen waren. Bild: ESO

Was ist ein Quasar?

Ein Quasar (quasistellare Radioquelle) ist extrem hell und emittiert aus einem Bereich kleiner als unser Sonnensystem, der manchmal nur wenige Lichtminuten groß ist. Quasare bilden den Kernbereich einer aktiven Galaxie und überstrahlen ihre Wirtsgalaxie nicht nur im weißen Licht. Sie geben sich vielmehr über das gesamte elektromagnetische Spektrum zu erkennen: vom Radiowellen- bis hin zum Gammawellenbereich und strahlen dabei so hell wie Tausende von riesigen Galaxien zusammen und verraten sich mittels ihrer signifikanten Emissionslinien.

Rund um den Globus sprechen die bisherigen Beobachtungen dafür, dass supermassereiche Schwarze Löcher die Verursacher der enorm hohen Strahlung sind, die uns trotz der riesigen Distanz dieser kosmischen Leuchtfeuer zur Erde in unterschiedlichen und sich ständig verändernden Intensitäten erreicht.

Der Theorie zufolge haben sich Schwarze Löcher in der Frühzeit des Universums gebildet und waren naturgemäß zum Anfang recht massearm. Die großen unter ihnen waren bestenfalls zwischen 100 und 100.000 Sonnenmassen schwer und wurden infolge der Akkretion, der gravitationsbedingten Absorption von kosmischer Materie, immer größer und massereicher. Im Verlaufe ihrer Evolution mutierten sie zu gigantischen Objekten, die Millionen oder gar Milliarden Sonnenmassen erreichten. Möglich war dies, weil sie damals noch permanent mit Materie gefüttert wurden. Heute hingegen sind sie in den meisten massereichen Galaxien ausgestorben. So manch supermassereiches Schwarzes Loch, das früher einmal hochaktiv war und dadurch zu einem Quasar heranreifen konnte, musste seinen Appetit mit den Jahrmilliarden in Ermangelung von freiem Gas, Staub und Materie zwangsläufig zügeln.

In diesem Diagramm ist links die Helligkeit in Sonnenleuchtstärken verzeichnet. Unten ist die Masse des jeweiligen Schwarzen Lochs in Sonnenmassen aufgeführt. Bild: Zhaoyu Li/Yunnan Observatory

Rotverschiebungsrate über 6

Bislang konnten Astronomen eine halbe Million Quasare katalogisieren, die meisten davon im Verlaufe der umfassenden, immer noch laufenden Beobachtungskampagne "Sloan Digital Sky Survey" (SDSS. Unter ihnen sind 40 Quasare verzeichnet, die weiter als 12,7 Milliarden Lichtjahre entfernt sind und mindestens ein Schwarzes Loch von einer Milliarde Sonnenmassen und eine Rotverschiebung von mehr als 6 aufweisen.

Den bisher am weitesten entfernten Quasar entdeckte ein internationales Wissenschaftlerteam vor fünf Jahren. Dieser entstand nur 770 Millionen Jahre nach dem Urknall und wird von einem Schwarzen Loch mit zwei Milliarden Sonnenmassen angetrieben. Der Wert seiner Rotverschiebung beträgt stolze 7,085.

Chandra-Aufnahme im Röntgenlicht vom Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße. Bild: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Bedingt einzigartig

Ein Neuankömmling in der Quasar-Familie mit Rotverschiebungsraten von mindestens 6 ist nunmehr SDSS J0100+2802, so seine Katalognummer. Doch SDSS J0100+2802 hat mit seinen 40 Kollegen nicht viel gemein. Dass sein Licht 12,8 Milliarden Jahre benötigt hat, um zu uns zu gelangen, und er mindestens 900 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden ist, macht ihn noch nicht zum Unikum.

Einige Artverwandte können mit einem ähnlich hohen Alter punkten. Auch was seine Masse angelangt, sticht er nicht hervor. Er mag einer der Großen sein, ist aber nicht der Größte. "Es gibt noch fünf andere, die mehr Masse haben, die aber nicht aus kosmischer Frühzeit stammen", erklärt Christian Veillet, der Direktor des in Arizona gelegenen Large Binocular Telescope Observatory (LBT), das an der Entdeckung Anteil hatte.

Was ihn vielmehr von den anderen Artgenossen unterscheidet, ist sein Alter, kombiniert mit der enormen Leuchtkraft und Masse seines zentralen Schwarzen Loches, wie der Projektleiter und federführende Autor des Nature-Papers Xue-Bing Wu von der Peking Universität (China) bestätigt:

Dieser Quasar ist einzigartig. Wir waren so aufgeregt, als wir herausfanden, dass da ein solch leuchtstarker und massereicher Quasar nur 900 Millionen Jahre nach dem Big Bang entstanden ist. Wie ein heller Leuchtturm im fernen Universum wird uns sein grelles Licht dabei helfen, mehr über das frühe Universum zu erfahren.

Kompaktes Schwergewicht

Mit einer Leuchtkraft, die 420 Billionen Mal größer ist als die unserer Sonne, strahlt er sieben Mal heller als der am weitesten entfernte im Jahr 2010 entdeckte Quasar, der 13 Milliarden Lichtjahre fernab der Erde sein Dasein fristet. Da die Wirtsgalaxie angesichts dieser Strahlkraft naturgemäß im Dunklen bleibt, haben die Forscher von ihrer Größe, der Anzahl ihrer Sterne und ihrer Gesamtmasse keine Kenntnis.

Das System SDSS 1254+0846 ist 4,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Hier treffen im Zuge der Verschmelzung zweier aktiver Galaxien zwei Quasare aufeinander. Bild: X-ray (NASA/CXC/SAO/P. Green et al.), Optical (Carnegie Obs./Magellan/W.Baade Telescope/J.S.Mulchaey et al.)

SDSS J0100+2802 zählt mit der 12 milliardenfachen Masse der Sonne zu den kompakten Schwergewichten seiner Klasse. Zum Vergleich: Sagittarius A, das Schwarze Loch im Herzen unserer Milchstraße, hat "nur" 4,5 Millionen Sonnenmassen. Als Quasar mit einer gemessenen Rotverschiebungsrate von 6,3 avanciert SDSS J0100+2802 sogar zum Rekordhalter: Kein anderer Quasar aus der Urzeit des Universums, das ein solch massereiches Schwarzes Loch und eine derart hohe Rotverschiebung hat, ist so leuchtstark.

Entgegen der Theorie

Trotz all dieser schönen Superlative rätseln die Astronomen über die überraschenden Daten. "Wie kann ein supermassereiches Schwarzes Loch in einem so jungen Universum so schnell wachsen? Was ist die Beziehung zwischen diesem ungeheuren Schwarzen Loch und der ihn umgebenden Region und seiner Wirtsgalaxie?", fragt Xiaohui Fan vom Steward Observatorium der Universität in Arizona, einer der Koautoren des Studie.

Ein anderer Autor des Fachbeitrages, Fuyan Bian von der Australian National University (ANU) in Canberra (Australien), ist nicht minder erstaunt: "Dass sich ein solch großes Schwarzes Loch so schnell gebildet hat, ist sehr schwer mit den gegenwärtigen Theorie-Modellen zu erklären." Es habe binnen kurzer Zeit eine enorme Masse erreicht und müsse daher ungeheuer viel Energie absorbiert haben, vermutet Bian, der wie seine Kollegen nicht im geringsten daran zweifelt, dass das Schwarze Loch von SDSS J0100+2802 immer schon hochgradig aktiv gewesen war.

Der NASA-Satellit WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) musterte ab Januar 2010 den gesamten Himmel im mittleren Infrarotbereich durch. Wu und sein Team wühlten auch in seinem Datenpool und wurden fündig. Bild: NASA

Akkretion als Motor

Ein Schwarzes Loch, das aus einem toten massereichen Stern geboren wird, saugt bekanntlich jegliche Form von Materie und Energie auf. Kommen ihm diese zu nahe, geraten sie in seinem Sog und konzentrieren sich zuerst auf der Akkretionsscheibe, die ein Schwarzes Loch ringartig umgibt, um am Ende auf Nimmerwiedersehen in seinem Schlund zu verschwinden.

Während der Akkretion heizt sich die rotierende Scheibe auf unvorstellbar hohe Temperaturen auf und strahlt extrem stark im sichtbaren Licht und auf (fast) allen anderen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums. Im Zuge dieses Prozesses drückt die starke Strahlung der hinabstürzenden Materie gegen die nachfolgende Materie und bremst diese aus.

Die Folge: Das Schwarze Loch erhält weniger Energie und wird in seinem Wachstum ebenfalls gebremst. Der neue Kandidat hingegen muss seit Beginn seiner Existenz auf Hochtouren und im maximalen Tempo Materie verschlungen haben, um derart viel Masse anzureichern, die Wu und sein Team gemessen haben.

Bild: NASA

Strahlungsdruck als Bremser

Für die Astronomen ist SDSS J0100+2802 ein Rätsel. Denn streng genommen hätte auch bei ihm der Strahlungsdruck die Akkretion nach 10 bis 100 Millionen Jahren erstmals zum Erliegen bringen müssen. "Eigentlich hätte die starke Strahlung des Quasar die Akkretion früher stoppen können", schreibt Bram Venemans vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg in einem Kommentar im Nature.

Es ist ungewöhnlich, ein derart massereiches Schwarzes Loch zu finden, das aus der Urzeit des Universums stammt. Es muss während des Großteils seiner Existenz auf maximale Art und Weise Energie absorbiert haben.

Strategische Vorgehensweise

Um Quasare mit hoher Rotverschiebung zu finden, folgten Xue-Bing Wu und Team einer neuen Strategie. Zuerst durchforsteten sie das SDSS-Archiv, untersuchten die Spektren im optischen und nahen Infrarotlicht und pickten sich die Kandidaten mit einer charakteristischen Rotverschiebung heraus. Hierbei berücksichtigten sie auch Daten vom NASA-Satelliten WISE und von 2MASS (Two Micron All Sky Survey).

Ende Dezember 2013 untersuchten sie dann detailliert die optischen Spektren der Quasare mit dem 2,4-Meter Lijiang Telescope (LJT) in Yunnan (China). Im Anschluss daran folgten bis Oktober 2014 im Rahmen einer internationalen Kooperation in den USA und Chile ergänzende Beobachtungen mit drei weiteren Großteleskopen - mit einem handfesten Resultat.

"Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass in der Frühzeit des Universums die in Quasare eingebetteten Schwarze Löcher schneller gewachsen sind als ihre Wirtsgalaxie. Um diese Theorie zu belegen, müssen wir noch weiter forschen", gesteht Yuri Beletsky vom Carnegie Institution for Science in Washington, D.C. (USA), der an den Messungen beteiligt war.

Als die "Europäische Südsternwarte" (ESO) und die "European Association for Astronomy Education" (EAAE) einen internationalen Wettbewerb unter dem Motto 'Catch a Star' für junge, angehende Künstler initiierte, in der Altersklasse zwischen 14 und 15 Jahren, konnte ein Teilnehmer mit diesem Bild einen Preis für sich einheimsen. Der Autor dieses Betrags findet es gelungen. Mit viel Fantasie kann man in dem kleinen Kunstwerk einen Quasar erkennen … Bild: ESO

Neue Erkenntnisse programmiert

Wie der Leiter der internationalen Beobachtungskampagne, Xue-Bing Wu, bestätigt, wirft der aktuelle Fund noch weitere Fragen auf, die das Modell von der Galaxienentwicklung in der Urzeit des Kosmos verändern werden. "Ich bin sicher, dass im Zuge unserer Entdeckung viele Astronomen nach weiteren Schwarzen Löchern suchen werden, die unserem ähneln."

So verwundert es nicht, dass SDSS J0100+2802 bereits wieder im Fokus steht. Gegenüber diesem Magazin erklärt Xiaohui Fan: "Wir haben eine laufende Studie, bei der wir das Hubble-Weltraumteleskop nutzen. Es könnte dabei helfen, weitere Antworten zu finden."

Die aktuelle Entdeckung kann auch neue Erkenntnisse über die chemische Zusammensetzung des jungen Universums liefern. Passiert nämlich das Licht auf seinem Weg vom Quasar zum irdischen Beobachter das intergalaktische Medium, absorbieren Gas- und Staubwolken einige seiner Wellenlängen - sehr zur Freude der Kosmo-Chemiker, wie Bram Venemans in seinem News&Views-Kommentar im Nature schreibt:

Die extreme Helligkeit des neu entdeckten Quasars erlaubt es, die Metallgehalte im intergalaktischen Medium des jungen Universums genauer als je zuvor zu messen. Das sollte Astronomen neue Informationen über die Sternentstehungsprozesse kurz nach dem Urknall verschaffen, welche diese Metalle erzeugten.

ESO-Video über ein anderen massereichen Quasar.

(Harald Zaun)

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