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Ausführliche Beschreibung: Entdeckung im frühen Universum stellt Modelle für Schwarzes-Loch-Wachstum infrage

Galaxien bestehen aus Millionen, Milliarden oder sogar hunderten von Milliarden von Sternen, umgeben und durchdrungen von einem Halo aus sogenannter Dunkler Materie. Im Zentrum so gut wie jeder Galaxie sitzt ein supermassereiches Schwarzes Loch: eine Region, in der Materie so kompakt zusammengedrängt ist, dass noch nicht einmal Licht ihrer Gravitations-Anziehung entkommen kann. Diese zentralen Schwarzen Löcher haben die Masse von hunderttausend, von Millionen oder sogar von Milliarden Sonnen. Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, hat zum Beispiel eine Masse von vier Millionen Sonnenmassen.

Ursprung und Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher

Wie diese Schwarzen Löcher entstanden sind ist nach wie vor eine offene Frage. Die aktuellen Modelle liefern unterschiedliche Szenarien dafür, wie sich die Schwarzen Löcher mit der Zeit entwickelt haben. Die Anfangsphasen unterscheiden sich dabei zwischen den Szenarien: Den Anfang könnten Schwarze Löcher gemacht haben, die entstanden sind, als – sehr massereiche – Sterne der ersten Generation kollabiert sind. Alternativ könnten am Anfang gigantische Gaswolken im frühen Universum gestanden haben, welche direkt zu Schwarzen Löchern kollabiert sind. Die Details sind derzeit noch weitgehend unklar, aber alle diese Szenarien sagen frühe Schwarze Löcher mit Massen zwischen einigen hundert und zehntausend Sonnenmassen voraus – deutlich weniger als die Millionen oder gar Milliarden Sonnenmassen der supermassereichen Schwarzen Löcher, die in den Zentren entfernter sogenannter Quasare beobachtet worden sind. Seit der Anfangsphase muss die Masse die Schwarzen Löcher offenbar gewaltig zugenommen haben.

Für den Massezuwachs spielen verschiedene Mechanismen eine Rolle. Der Urknall fand vor rund 13,8 Milliarden Jahren statt. Sobald sich in den ersten hunderten von Millionen von Jahren die ersten Galaxien gebildet hatten, begann ein Verschmelzungs-Tanz, in dem kleinere Galaxien sich zu größeren vereinigten. Dabei verschmolzen auch die beteiligten zentralen Schwarzen Löchern zu immer massereicheren Schwarzen Löchern. Ein weiterer Beitrag zum Wachstum kommt von sogenannter Akkretion, also von Materie (zumeist Gas), die in das Schwarze Loch fällt und damit dessen Masse erhöht.

Einfallende Materie und Quasare

Abbildung 2: Künstlerische Darstellung eines Quasars mit einem zentralen Schwarzen Loch, einer darum kreisenden heißen Akkretionsscheibe sowie in zahlreichen Fällen zwei Jets aus schnellen Teilchen, die senkrecht zur Scheibenebene nach außen laufen. Bild vergrößern
Abbildung 2: Künstlerische Darstellung eines Quasars mit einem zentralen Schwarzen Loch, einer darum kreisenden heißen Akkretionsscheibe sowie in zahlreichen Fällen zwei Jets aus schnellen Teilchen, die senkrecht zur Scheibenebene nach außen laufen. [weniger]

Einfallende Materie spielt eine entscheidende Rolle wenn es darum geht, die weit entfernten supermassereichen Schwarzen Löcher überhaupt erst einmal nachzuweisen. Einfallende Materie verwandelt die Schwarzen Löcher in die Zentren extrem heller, kompakter Lichtquellen, der sogenannten Quasare. Die Materie, welche das Schwarze Loch auf sich zieht, sammelt sich nämlich typischerweise zunächst in einer sogenannten Akkretionsscheibe rund um das Schwarze Loch; vom inneren Rand der Scheibe verschwindet dann jeweils im Schwarzen Loch selbst. Die auf die Scheibe fallende Materie setzt dabei beträchtliche Mengen an Energie frei; im Ergebnis kann die Scheibe so hell leuchten wie alle Sterne einer großen Galaxie zusammen. Ein Teil der Energie wird auch in Form von Jets abgegeben, extrem schnellen, fokussierten Teilchenströmen senkrecht zur Scheibenebene.

Allerdings ergibt sich für die hier beobachteten frühesten Quasare ein Problem bezüglich des Zeitablaufs. Astronomen blicken immer in die Vergangenheit – die Andromedagalaxie sehen wir beispielsweise nicht so, wie sie jetzt ist, sondern so, wie sie vor 2,5 Millionen Jahren war, schlicht weil das Licht, das wir empfangen, 2,5 Millionen Jahre benötigt hat, um von der Galaxie zu unseren Teleskopen zu gelangen. Quasare lassen sich bis in Distanzen beobachten, über die das Licht Milliarden Jahre benötigt, um uns zu erreichen. Daher können die Astronomen Quasare – und indirekt ihre supermassereichen Schwarzen Löcher – beobachten, die sich uns so darbieten, wie sie vor mehr als 12 Milliarden Jahren waren, also zu einer Zeit, als das Universum weniger als ein Zehntel so alt war wie heute.

Drei ungewöhnliche Quasare

Einige der Quasare im frühen Universum, die wir auf diese Weise beobachten, enthalten supermassereiche Schwarze Löcher mit der Masse von Milliarden von Sonnen. Wie konnten diese Schwarzen Löcher in einem so begrenzten Zeitraum soviel Masse ansammeln? Jetzt hat eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Anna-Christina Eilers vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) in Heidelberg drei sehr junge Quasare entdeckt, mit denen es jetzt noch deutlich schwieriger wird als vorher, die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher zu erklären.

Eilers und ihre Kollegen hatten die optischen und Infrarot-Spektren für eine Stichprobe von 34 gut untersuchten Quasaren analysiert, sich also die regenbogenartige Zerlegung des Quasarlichts in unterschiedliche Wellenlängen angeschaut. Die Quasare sind so weit entfernt, dass sie Einblicke in die kosmische Frühzeit erlauben, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Die Entfernungen werden in diesem Falle über die kosmologische Rotverschiebung bestimmt – eine entfernungsabhängige Verschiebung der Spektren hin zu größeren Wellenlängen, die sich aus der Expansion des Universums ergibt.

Um solche extrem weit entfernten und damit sehr leuchtschwachen Objekte zu beobachten, nutzen Astronomen einige der größten Teleskope der Welt. In diesem Falle stammen die Daten von den zwei Keck-Teleskopen, jedes davon mit einem Spiegeldurchmesser von zehn Metern, auf dem Mauna Kea in Hawaii. Dabei nutzten Eilers und ihre Kollegen für einige der Quasare bereits vorhandene Beobachtungsdaten, für andere nahmen sie selbst neue Daten auf.

Ein Blick in die kosmische Geschichte

Die untersuchten Quasare besitzen eine hohe Rotverschiebung, entsprechend einer großen Entfernung zu uns, entsprechend langen Lichtlaufzeiten und damit der Möglichkeit, Einblicke in die Frühzeit unseres Kosmos zu gewinnen. Das macht sie zu perfekten Laboratorien für Astronomen, die sich für die Frühphasen der Galaxienentwicklung und des Wachstums Schwarzer Löcher interessieren. Tatsächlich war das eigentliche Ziel von Eilers und ihren Kollegen gewesen, Informationen über das diffuse Gas zwischen den Galaxien zu gewinnen und daraus Rückschlüsse auf eine frühe Epoche unseres Universums namens Reonisierungs-Epoche zu ziehen. Während ihrer Auswertung fanden die Forscher allerdings drei Quasare, die bereits für sich genommen hochinteressant waren, weil sie die heutigen Vorstellungen über die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher im frühen Universum infrage stellten. Problematisch sind dabei die Zeitabläufe.

Wir haben gesehen, wie Schwarze Löcher beim Einfall von Materie zu hell leuchtenden Quasaren werden können. Doch die Quasar-Phase dauert nur eine begrenzte Zeit. Der Quasar wird "angeschaltet", sobald hinreichend viel Materie einfällt – was selten genug vorkommt. Ist der Materienachschub erschöpft, dann erlischt der Quasar. Für drei ihrer Objekte fanden Eilers und ihre Kollegen Hinweise darauf, dass diese Quasare erst vor recht kurzer Zeit zu leuchten begonnen hatten. Das zeigt sich bei genauerer Betrachtung der Art und Weise, wie Quasare ihre direkte Umgebung mit ihrer Strahlung beeinflussen.

Die Nah-Zone von Quasaren

Abbildung 1: Grundprinzip der Quasar-Beobachtungen: Das Licht eines Quasars (rechts) wird auf dem Weg zu einem Observatorium auf der Erde (links) im umgebenden Gas weitgehend absorbiert – außer in der ionisierten Nah-Zone, die in gelb für einen sehr jungen, in grün für einen älteren Quasar dargestellt ist. Die Ausdehnung der Nah-Zone lässt sich aus dem Spektrum des Quasars (unten) erschließen. Quasare sind supermassereiche Schwarze Löcher, umgeben von einer heißen Materialscheibe; häufig schießen senkrecht zur Scheibe Teilchen-Jets hervor (kleines Bild rechts oben). Bild vergrößern
Abbildung 1: Grundprinzip der Quasar-Beobachtungen: Das Licht eines Quasars (rechts) wird auf dem Weg zu einem Observatorium auf der Erde (links) im umgebenden Gas weitgehend absorbiert – außer in der ionisierten Nah-Zone, die in gelb für einen sehr jungen, in grün für einen älteren Quasar dargestellt ist. Die Ausdehnung der Nah-Zone lässt sich aus dem Spektrum des Quasars (unten) erschließen. Quasare sind supermassereiche Schwarze Löcher, umgeben von einer heißen Materialscheibe; häufig schießen senkrecht zur Scheibe Teilchen-Jets hervor (kleines Bild rechts oben). [weniger]

Vom Licht sehr ferner Quasare erreicht uns nur ein kleiner Teil – nur rund 1 Prozent der ursprünglich ausgesandten Menge. Der Rest wird durch Atome extrem verdünnten intergalaktischen Gases absorbiert und gestreut, welches die riesigen Weiten zwischen diesen Quasaren und uns hier auf der Erde erfüllt. In unmittelbarer Nähe des Quasars ist die Intensität der Strahlung allerdings so hoch, dass das intergalaktische Gas ionisiert wird, also die Elektronen von ihren Atomkernen getrennt werden. Der effektivste Mechanismus für die Absorption des Quasar-Lichts hängt allerdings direkt mit bestimmten Spektrallinien zusammen, sprich: mit Licht, das absorbiert wird und dabei die Elektronen des Atoms von einem gebundenen Zustand in einen anderen hebt (genauer: mit der Lyman-α-Linie in unterschiedlich rotverschobenen Versionen).

Sobald das Gas ionisiert ist, gibt es diese Zustände nicht mehr, und auch diese Art von Absorption wird unmöglich. Damit wird in den ionisierten Regionen insgesamt deutlich weniger Quasar-Licht absorbiert – und zwar abhängig von der Wellenlänge; in einem bestimmten Wellenlängenbereich öffnet sich eine Art Fenster, das weit mehr des Quasar-Lichts durchlässt als ohne ionisierte Gaswolken. Die Region ionisierten Gases rund um den Quasar heißt proximity zone, zu deutsch etwa "Nah-Zone" des Quasars.

Nachdem der Quasar angeschaltet wurde und zu leuchten begonnen hat dauert es einige Zeit, bis er das umgebende Gas ionisiert hat. Während der Quasar weiterleuchtet, nimmt die Menge an ionisiertem Gas und damit auch die Größe der Nah-Zone weiter zu. Zumindest für einige Zeit nachdem der Quasar zu leuchten begann lässt sich aus der Größe der Nah-Zone darauf schließen, wie lange der Quasar bereits aktiv ist, kurz gesagt: wie alt der betreffende Quasar ist. Die Größe der Nah-Zone lässt sich aus dem Spektrum des Quasars erschließen, das zeigt, wieviel Licht des Quasars in welchen Wellenlängenbereichen die Erde erreicht hat.

Simulationen und Altersabschätzungen

Um die Verbindung zwischen Quasarspektren, der Größe und weiteren Eigenschaften der Nah-Zonen und dem Alter des Quasars (wie lange seit dem Anschalten?) herzustellen nutzten die Astronomen Simulationen, die Frederick B. Davies durchführte, ein Postdoktorand am Max-Planck-Institut für Astronomie und Experte für die Wechselwirkung zwischen Quasarlicht und intergalaktischem Gas. Den Rahmen für die Evolution der großräumigen Strukturen liefert die Verteilung von Dunkler Materie im Universum. Kurz nach dem Urknall war diese Materie so gut wie homogen verteilt, verklumpt dann zusehends, ist über die nachfolgenden Jahre zunehmend verklumpt und hat ein großräumiges Netzwerk von Filamenten gebildet, das sogenannte kosmische Netz.

Basierend auf früheren Simulationen dieses kosmischen Netzes aus Dunkler Materie simulierte Davies, wie sich Gas in dieser Struktur entwickelt und sich entlang der Filamente sammelt, und wie Quasare entstehen und mit ihrer intensiven Strahlung das umgebende Gas ionisieren. Die Simulation zeigte Davies auch, welche Eigenschaften die Quasarspektren haben sollten, mit denen ein Beobachter auf der Erde diese Vorgänge beobachtet. Durch den Vergleich der Spektren von unterschiedlich alten Quasaren konnten die Astronomen herausarbeiten, wie das Alter eines Quasars, die Größe seiner Nah-Zone mit charakteristischen Eigenschaften des Spektrums zusammenhängen.

Überraschend junge Quasare

Überraschenderweise hatten drei der Quasare nur sehr kleine ionisierte Regionen um sich herum. Diese drei Quasare sind offenbar vor nicht mehr als 100,000 Jahren angeschaltet worden und hatten doch zur Beobachtungszeit jeweils bereits eine Masse von Massen von Milliarden Sonnenmassen. Könnte das Schwarze Loch eventuell früher bereits einmal ein Quasar gewesen sein, vor der jetzigen Aktivitätsphase? Nein, denn das ionisierte Gas aus der früheren Quasarphase hätte seither nicht genügend Zeit gehabt, um wieder abzukühlen. Wir sehen diese Quasare schließlich so, wie sie weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall waren; das war schlicht nicht genügend Zeit für eine Quasarphase mit anschließender Rückbildung der Nah-Zone. Spuren der früheren Aktivität wären noch im Quasar-Spektrum sichtbar.

Es bleibt nur die Möglichkeit, dass diese Quasare tatsächlich insgesamt nur für weniger als 100,000 Jahre Materie auf sich gezogen – und trotzdem eine Masse von Milliarden von Sonnenmassen erreicht haben. Das ist, gelinde gesagt, ungewöhnlich. Einfallende Materie ist es schließlich, was das Schwarze Loch rasant wachsen lassen könnte. (Kollisionen und Verschmelzungen mehrerer Galaxien und deren zentraler Schwarzer Löcher können auf so vergleichsweise kurzen Zeitskalen keinen entscheidenden Beitrag leisten.) Hier wird der zeitliche Ablauf zum Problem: Irgendwie müssen es die Quasare fertiggebracht haben, in so begrenzter Zeit sehr rasch zu wachsen.

Die Grenzen des Wachstums Schwarzer Löcher

Dieses Wachstum ist nicht einfach zu erklären. Die grundlegenden Gesetze der Physik begrenzen nun einmal die Menge an Materie – in der Praxis: an Gas – die in gegebener Zeit in ein Schwarzes Loch fallen kann. Schließlich sorgt diese einfallende Materie dafür, dass der Quasar sehr hell leuchtet. Oberhalb einer bestimmten Helligkeit führt alleine der Druck, den die Strahlung ausübt, bereits dazu, dass keine weitere Materie einfallen kann. Das führt zu einer maximalen Akkretionsrate, die Eddington-Akkretionsrate genannt wird. Die entsprechende, von der Masse abhängende maximale Helligkeit heißt Eddington-Leuchtkraft.

Mit diesen grundlegenden Einschränkungen hätten die Schwarzen Löcher, um die es hier geht, es in der verfügbaren Zeit gerade so schaffen können, ihre Masse zu erreichen – mindestens hundert Millionen Jahre hätten sie dazu allerdings mit maximaler Einfallsrate Materie an sich ziehen und als Quasar leuchten müssen. Aber die Messungen zeigen nun einmal, dass die betreffenden Quasare insgesamt seit weniger als 100,000 Jahren aktiv sind. Das ist schlicht nicht genügend Zeit. Und da Eilers und ihre Kollegen immerhin drei dieser problematischen Quasare gefunden haben, und das in einer Stichprobe von ganzen 34 Quasaren, dürfte ein beträchtlicher Anteil der supermassereichen Schwarzen Löcher insgesamt dasselbe Problem haben.

Offene Fragen

Die derzeitigen Modelle können dieses rasche Wachstum nicht erklären. Irgendetwas muss anders sein als gedacht: Können sich Schwarze Löcher schneller größere Mengen an Materie einverleiben als die Theorie vorhersagt? Besaßen die ursprünglichen Schwarzen Löcher, aus denen sich die supermassereichen Löcher entwickelt haben, bereits deutlich mehr Masse? Wenn ja, wie sind sie entstanden? Bislang gibt es keine definitiven Antworten auf diese Fragen.

Damit stellt die Entdeckung der drei Quasare die bisherigen Modelle vor eine Herausforderung – es wird Zeit, neue Modelle zu erarbeiten. Solche neuen Modelle werden höchstwahrscheinlich nicht nur diese Art von Sonderfall erklären, sondern unser Verständnis der Entstehung von Galaxien und ihren zentralen Schwarzen Löchern insgesamt verändern – und damit auch unser Verständnis dieser Objekte im heutigen Universum. Schließlich geht es ganz allgemein darum, wie supermassereiche Schwarze Löcher mit solch hoher Masse entstanden sind – und das betrifft auch jedes solche Schwarze Loch, das wir in den Galaxien in unserer näheren Nachbarschaft beobachten.

Der nächste Schritt

Der nächste Schritt für Eilers und ihre Kollegen besteht darin, nach noch weiteren solchen jungen, aber massereichen Quasaren zu suchen. Zu diesem Zweck haben die Astronomen bereits Beobachtungszeit an einigen der größten derzeitigen Teleskope beantragt.

Noch ist nicht ausgeschlossen, dass die drei Quasare Ausreißer sind, und nicht repräsentativ für die Klasse der Quasare insgesamt. Findet die weitere Suche allerdings noch weitere Beispiel, wäre in der Tat ein beachtlicher Teil der Quasare jünger und weniger lange aktiv als gedacht. Statistische Aussagen zur Häufigkeit dieser Art von Quasare sind wichtige Daten, um neue Modelle zum Wachstum Schwarzer Löcher zu testen und auf die Probe zu stellen.

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