James Webb entdeckt das älteste supermassereiche Schwarze Loch

Mit dem Weltraumteleskop James Webb können Forscher*innen in die frühen Anfänge des Universums blicken, 13,5 Milliarden Jahre in der Vergangenheit. Seit dem Start seiner Beobachtungen wurden so die bisher ältesten Galaxien gefunden. Im Inneren einer dieser Galaxien konnten Forschende nun ein supermassereiches Schwarzes Loch nachweisen, das möglicherweise das älteste bisher entdeckte seiner Art ist.

Gefunden wurde es im Rahmen des Beobachtungsprogramms Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS). Es befindet sich im Zentrum der Galaxie CEERS_1019, die ursprünglich schon von Hubble entdeckt wurde (und unter dem Namen EGSY8p7 geführt wurde). Die Studie wurde für The Astrophysical Journal eingereicht und ist als Vorveröffentlichung abrufbar (hier).

So groß wie 10 Millionen Sonnen

Entstanden ist es 570 Millionen Jahre nach dem Urknall, also vor 13,2 Milliarden Jahren. Das Schwarze Loch hat die Masse von 10 Millionen Sonnen und ist aktiv. Mit nur einer Stunde Beobachtungszeit richtete Webb seine 4 Instrumente darauf aus.

Wie Science Alert berichtet, erforschte Studienleiterin Rebecca Larson die Galaxie ursprünglich, um Licht zu analysieren, das während der Entstehung neuer Sterne entsendet wird. Diese sogenannte Lyman-Alpha-Emission entsteht möglicherweise durch die Ionisierung von neutralem Wasserstoff während dem Sternenentstehungsprozess. Nebel aus diesem neutralen Wasserstoff hinderte das Licht im frühen Universum daran, sich auszubreiten. Erst nach der Ionisierung dieses Wasserstoffs konnte das Licht sich ausbreiten.

Diese Phase der Reionisierung fand innerhalb der ersten Milliarde Jahren nach dem Urknall statt. Zuvor herrschte das "Dunkle Zeitalter", in das wir nicht blicken können, da das Licht uns nicht erreicht. Mit der Reionisierungsphase begann die Bildung von Quasaren und ersten Galaxien. 

Licht von Sternen und Quasaren

"Ich war überwältigt von der Masse an Informationen", sagt Larson zu Science Alert. In den Daten zeigten sich Merkmale eines aktiven galaktischen Nukleus (AGN), also eines Schwarzen Lochs. Normalerweise gibt eine frühe Galaxie entweder Licht durch Sternenentstehung oder durch einen AGN ab. "Wir haben wochenlang diskutiert, was von beiden es ist. Dann stellte sich heraus, dass es beides ist", sagt Larson.

Bisher wurden Schwarze Löcher entdeckt, die 670 bzw. 690 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden. Sie sind mit 800 Millionen bzw. 1,6 Milliarden Sonnenmassen deutlich größer als das jetzt gefundenen Schwarze Loch. Man geht also davon aus, hier einen Zwischenschritt bei der Entwicklung dieser Galaxiekerne zu beobachten.

Die Entdeckung soll bei der Lösung des Rätsels helfen, wie solche Schwarzen Löcher im frühen Universum wachsen konnten. Dabei mussten sie in kürzester Zeit auf eine enorme Größe anwachsen. "Was wir gefunden haben könnte ein Vorläufer eines solchen unglaublich massiven Quasars sein", so Larson. 

Die Forschenden vermuten, das Schwarze Loch könnte durch den Zerfall eines massereichen Objekts entstanden sein, z.B. einem der ersten Sterne im Universum. Da die Sterne in der Anfangsphase deutlich massiver waren als jetzt, wäre das Schwarze Loch bereits von enormer Größe. 

Material-Boosts über dem Limit

Trotzdem ist der Schritt zum supermassereichen Schwarzen Loch dann noch weit. Hier könnte die sogenannte periodische Eddington-Akkretionsrate ins Spiel kommen. Laut dem Physiker Arthur Stanley Eddington haben Schwarze Löcher ein Limit, mit welcher Geschwindigkeit sie Material anziehen und damit wachsen können. Rast das Material zu schnell um das Schwarze Loch, wird es ins All geschleudert. Damit fällt die Energie wieder unter das Eddington-Limit und das Material wird wieder angezogen. Das ist in kurzen Perioden immer wieder möglich, und könnte dafür gesorgt haben, dass das Schwarze Loch so schnell zulegt.

Um mehr über die Entstehung der Schwarzen Löcher zu erfahren, suchen die Forschenden nun weitere Exemplare im frühen Universum. Larson ist sich sicher, dass der Rekord des ältesten Schwarzen Lochs schon bald geschlagen wird. Mit einer längerer Beobachtungszeit könnten noch ältere Galaxiekerne untersucht werden.