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Astronomie+Physik

Uralter Massegigant

Quasar
Quasare gehören zu den hellsten Objekten des Kosmos. (Bild: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva)

Quasare sind die Giganten des frühen Kosmos – und geben Rätsel auf. Denn bisher ist schwer erklärbar, wie diese supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum ferner Galaxien so früh so groß werden konnten. Jetzt haben Astronomen den bislang fernsten und ältesten Quasar entdeckt – er existierte schon 670 Millionen Jahre nach dem Urknall. Trotzdem umfasst das Schwarze Loch dieses Quasars 1,6 Milliarden Sonnenmassen und ist damit doppelt so massereich wie der bisherige Rekordhalter. Das vertieft das Rätsel um die Entstehung dieser Schwerkraftgiganten und schließt zwei gängige Theorien dazu weitgehend aus.

Quasistellare Objekte, kurz Quasare, sind supermassereiche Schwarze Löcher in fernen Galaxien, die aktiv Materie in sich einsaugen. Dabei setzen sie enorme Mengen an Strahlung frei, die noch über Milliarden von Lichtjahren hinweg sichtbar ist. Quasare gehören daher zu den hellsten Objekten im Kosmos. Doch schon seit einigen Jahren rätseln Astronomen darüber, wie die Schwarzen Löcher solcher frühen Schwerkraftgiganten entstanden sein könnten. Der Grund: Einige der bisher bekannten Quasare sind mehr als zwölf Milliarden Jahre alt – sie stammen damit aus der Anfangszeit des Kosmos. Das aber bedeutet, dass ihre Schwarzen Löcher nur wenig Zeit hatten, um auf hunderte Millionen Sonnenmassen heranzuwachsen. Gängiger Theorie nach wachsen supermassereiche Schwarze Löcher nach und nach heran, indem sie umliegende Sterne und Gas vertilgen und auch durch Verschmelzung kleinerer Vorgänger.

13,03 Milliarden Lichtjahre entfernt

Doch nun haben Forscher um Feige Wang von der University of Arizona einen Quasar entdeckt, der viele gängige Vorstellungen torpediert. Aufgespürt haben sie ihn mit dem 6,5-Meter-Teleskop des Las-Campanas-Observatoriums in Chile. Das J0313-1806 getaufte Objekt liegt rund 13,03 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt und damit so weit wie kein anderer bekannter Quasar. Der vorherige, im Jahr 2017 entdeckte Rekordhalter liegt 20 Millionen Lichtjahre näher, wie die Forscher berichten. Gleichzeitig ist J0313-1806 damit der älteste Vertreter dieser Ausnahmeobjekte, denn er existierte schon 670 Millionen Jahre nach dem Urknall – zu einer Zeit, als das Universum erst fünf Prozent seines heutigen Alters besaß. Die Forscher stellen ihren Fund heute auf dem Jahrestreffen der American Astronomical Society vor.

Obwohl dieser Quasar so kurz nach dem Urknall existierte, leuchtet er rund tausendmal heller als die Milchstraße und sein Schwarzes Loch umfasst rund 1,6 Milliarden Sonnenmassen, wie Wang und sein Team berichten. Es ist damit doppelt so massereich wie das Schwarze Loch des bisherigen Rekordquasars. Das wirft erneut die Frage auf, wie diese Objekte damals so viel Masse in so kurzer Zeit ansammeln konnten. Denn für ein langsames Wachstum aus stellaren Schwarzen Löchern oder durch das Ansaugen von nahen Sternen hatte das Schwarze Loch von J0313-1806 nicht genug Zeit. Selbst wenn man den frühestmöglichen Zeitpunkt für die Bildung des Vorgängerobjekts annimmt, können diese gängigen Szenarien nicht erklären, wie dieser Quasar seine enorme Masse bekam. Den Berechnungen der Astronomen zufolge muss der Vorgänger von J0313-1806, selbst wenn er schon 100 Millionen Jahre nach dem Urknall entstand, rund 10.000 Sonnenmassen schwer gewesen sein.

Wie bekam das Schwarze Loch seine enorme Masse?

Diese Ausgangsmasse aber ist weder mit stellaren Schwarzen Löchern als Vorgängern noch mit dem Wachstum durch das Verschlingen von Sternen zu vereinbaren: „Diese Werte sagen uns, dass der Keimling dieses Schwarzen Lochs durch einen anderen Mechanismus gebildet worden sein muss“, sagt Co-Autor Xiaohui Fan von der University of Arizona. Denn so früh nach dem Urknall gab es schlicht nicht genügend Sterne, um den Vorgänger des Quasars ausreichend zu „füttern“. Die Astronomen vermuten deshalb, dass dieses Schwarze Loch direkt durch den Kollaps einer großen, dichten Wolke primordialen Wasserstoffgases entstanden sein könnte. Dabei wurde das Gas so stark komprimiert, dass sich im Zentrum der Wolke ein Schwarzes Loch bildete. „Nur in einem solchen Szenario des direkten Kollapses könnte so früh ein Vorgänger-Objekt von mindestens 10.000 Sonnenmassen entstanden sein“, so Fan.

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Damit eröffnet der neu entdeckte Quasar neue Einblicke in die Vorgeschichte einiger der extremsten Objekte im Kosmos. Gleichzeitig aber liefert er auch Informationen darüber, wie die ersten Galaxien im Kosmos heranwuchsen. Aufnahmen mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chile zeigen, dass die Heimatgalaxie des Quasars J0313-1806 eine um das 200-Fache höhere Sternbildungsrate hat als heute die Milchstraße. „Das deutet darauf hin, dass diese Galaxie sehr schnell wächst“, erklärt Wangs Kollege Jinyi Yang. Gleichzeitig verschlingt das supermassereiche Schwarze Loch im Herzen der Galaxie jedes Jahr das Masseäquivalent von rund 25 Sonnen. Ein Teil der Energie, die bei dieser „Fressorgie“ frei wird, treibt einen starken Wind aus ionisierten Gasen an, der mit rund 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit aus dem Zentrum der Galaxie herausrast. „Das ist der früheste Beleg dafür, wie ein supermassereiches Schwarzes Loch seine Wirtsgalaxie beeinflusst“, sagt Wang.

Quelle: University of Arizona, 237th Meeting of the American Astronomical Society

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