Schwarzloch-Sterne könnten das Rätsel der frühen massereichen Galaxien lösen

Sie fanden sich bereits auf einigen der ersten wissenschaftlichen Bilder, die das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) geliefert hatte: extrem kompakte, rötliche Strukturen, bei denen völlig unklar war, worum es sich handelte. Immerhin über den Abstand dieser „kleinen roten Punkte“ (little red dots) bestand Einigkeit: Die meisten sind so weit entfernt, dass ihr Licht rund 13 Milliarden Jahre benötigt hat, uns zu erreichen. Wir sehen diese Objekte also zu einer Zeit, als das Universum noch sehr jung war.

Waren die kleinen roten Punkte extrem sternreiche Galaxien, deren Licht durch riesige Mengen an Staub in ihrer Umgebung rötlich eingefärbt war? Das hätte eine unrealistisch hohe Anzahl und Dichte an Sternen bedeutet - mehrere hunderttausend Sterne in einem Würfel mit der Seitenlänge von nur einem Lichtjahr. Und es hätte die Modelle zur Galaxienentstehung vor große, vielleicht sogar unlösbare Probleme gestellt. Denn zu der Zeit, als die kleinen roten Punkte gefunden wurden, gab es Schlagzeilen, dass die kosmische Geschichte aufgrund der JWST-Entdeckungen komplett revidiert werden müsse.

Oder waren die kleinen roten Punkte stattdessen aktive Galaxienkerne, ebenfalls durch reichlich Staub verdeckt? Triebkraft ist bei solchen Objekten ein supermassereiches schwarzes Loch, um das sich eine extrem heiße, hell leuchtende Akkretionsscheibe aus einfallender Materie bildet. Das hätte allerdings so zahlreiche und so massereiche zentrale schwarze Löcher im jungen Universum erfordert, dass es die Entwicklungsmodelle wiederum vor ernste Probleme gestellt hätte. Und auch die Spektren der kleinen roten Punkte passten nicht recht zu dem, was man für aktive Galaxienkerne erwartet hätte.

Das war die Situation, als ich und einige Kolleginnen und Kollegen uns daran machten, den logischen nächsten Schritt zu tun: neue Beobachtungsdaten zu gewinnen, um den rätselhaften kleinen roten Punkten auf die Schliche zu kommen. Wir entwickelten das Programm RUBIES (für Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), natürlich ganz bewusst als Anklang auf Rubine (engl. rubies) und beantragten dafür fast 60 Stunden Beobachtungszeit mit dem James-Webb-Teleskop.

JWST-Zeit ist knapp, der Wettbewerb unter den Forschenden entsprechend scharf. Wir waren erfolgreich und nutzten das JWST, um Spektren von insgesamt 4500 entfernten Galaxien zu gewinnen. Das ist einer der größten spektroskopischen Datensätze, die bisher mit dem JWST erstellt wurden. In den Daten fanden wir die Spektren von 35 kleinen roten Punkten - sowie einen Extremfall, der gerade deswegen besonders aufschlussreich zu sein versprach: ein Objekt, das wir nach dem Aussehen seines Spektrums The Cliff (die Klippe) tauften. The Cliff ist so weit von uns entfernt, dass sein Licht 11,9 Milliarden Jahre benötigte, um uns zu erreichen (Rotverschiebung z=3,55).

Ähnlichkeit zu Sternspektren

Würde man einem Astronomen oder einer Astronomin ein Spektrum von The Cliff zeigen, ohne Entfernung und Leuchtkraft jenes Objekts zu nennen, würde er oder sie vermuten, es handle sich um einen (eventuell etwas seltsamen) Stern. Insbesondere der namensgebende steile Anstieg im Spektrum von The Cliff - er heißt in der Astronomie  „Balmer-Break“ - geht normalerweise  auf Licht aus den äußeren Schichten zahlreicher Sterne eines bestimmten Typs zurück. 

Wir haben mit viel Aufwand versucht, das Spektrum von The Cliff mit Modellen von verschiedenen Galaxientypen zu erklären, aber die Diskrepanzen waren unüberwindbar. Also schauten wir uns auch die eher ungewöhnlichen Erklärungsmöglichkeiten an. Und eine Idee, die in der Community bereits diskutiert worden war, schien tatsächlich zu funktionieren!

Auf der Grundlage jener Idee entwickelten wir ein Modell, das wir als „Schwarzloch-Stern“ bezeichnen. Im Innern eines Schwarzloch-Sterns sitzt ein aktiver galaktischer Kern, also ein supermassereiches schwarzes Loch mit einer Akkretionsscheibe. Drumherum befindet sich eine dicke Hülle aus Wasserstoffgas (Abb. 1). Diese Objekte sind im Vergleich zu gewöhnlichen Sternen Giganten. Mit einem Durchmesser von etwa dem 200 000-Fachen des Sonnendurchmessers übertreffen sie die größten bekannten Sterne um ungefähr den Faktor 100. Entsprechend erscheinen sie rund eine Milliarde Mal so hell wie die hellsten Sterne.

Für die Gashülle spielt es letztlich keine Rolle, ob sie über Kernfusionsreaktionen im Innern eines Sterns oder wie in diesem Fall über die Strahlung einer Akkretionsscheibe Energie zugeführt bekommt. Was das Aufheizen der Hülle und ihre eigene Abstrahlung angeht, sind die Ergebnisse bei regulären Sternen (Kernfusion im Innern) und Schwarzloch-Sternen ähnlich. Allerdings wirbelt das Gas in der Hülle eines Schwarzloch-Sterns deutlich heftiger durcheinander als bei einem regulären Stern.

Bisher sind die physikalischen Modelle, die wir von den Schwarzloch-Sternen haben, noch Pionierarbeit. Aber wie gut sie wesentliche Eigenschaften des Spektrums erklären, stimmt uns optimistisch. The Cliff wäre damit ein Extrembeispiel, bei dem der zentrale Schwarzloch-Stern die Helligkeit des Objekts komplett dominiert. Das Licht der anderen kleinen roten Punkte wäre eine gleichmäßigere Mischung aus der Strahlung des zentralen Schwarzloch-Sterns und dem Licht von Sternen und Gas in der den Schwarzloch-Stern umgebenden Galaxie.

Wir haben für das Jahr 2026 bereits weitere JWST-Beobachtungszeit zugesagt bekommen, um die kleinen roten Punkte weiter erforschen und unsere Schwarzloch-Stern-Modelle auf die Probe stellen zu können. Die Struktur von Schwarzloch-Sternen könnte supermassereichen schwarzen Löchern dabei sogar helfen, rasch weitere Masse zu gewinnen. Im besten Fall könnten die geheimnisvollen Objekte auch das kosmische Rätsel lösen, warum es schon im jungen Universum ungewöhnlich massereiche schwarze Löcher gegeben hat. Denn das James-Webb-Teleskop hat bereits eine ganze Reihe von Hinweisen auf die Existenz solcher Objekte gefunden.

Literaturhinweise