Erster Blick auf die Heimatgalaxie eines extrem weit entfernten Quasars

Auf den Punkt gebracht:

• Erfolgreiche Quasar-Suche: Das ESA-Weltraumteleskop Euclid hat eine wahre Fundgrube von Quasaren im frühen Kosmos entdeckt. Zwei davon brechen bisherige Entfernungsrekorde. Weitere Entdeckungen dürften folgen.
• Normalität im frühen Universum: Zum ersten Mal können Astronom*innen ganz gewöhnliche Beispiele für sehr frühe Quasare untersuchen, anstatt nur die allerhellsten Quasare zu beobachten.
• Quasar in massereicher, sternbildender Heimatgalaxie: Zusätzliche Beobachtungen zeigen, dass die Heimatgalaxie eines der neuen Quasare überraschend massereich ist und rasch neue Sterne bildet – ein wichtiges Puzzleteil für Modelle der Galaxienentstehung.

Mit dem ESA-Weltraumteleskop Euclid hat jetzt ein neues Kapitel der Erforschung früher Quasare und ihrer Heimatgalaxien begonnen. Neue Forschungsergebnisse von Silvia Belladitta (Max-Planck-Institut für Astronomie, MPIA) und Kolleg*innen haben eine der Entdeckungen von Euclid weiterverfolgt und die Heimatgalaxie eines der frühesten bekannten supermassereichen Schwarzen Löcher im Universum näher untersucht.

Helle Objekte mit einem dunklen Zentrum

Aktive Galaxienkerne, insbesondere sogenannte Quasare, sind für einige der hellsten Leuchterscheinungen verantwortlich, die Astronom*innen am Himmel beobachten. “Antrieb” für die enorme Leuchtkraft ist dabei jeweils Materie, die auf ein zentrales supermassereiches Schwarzes Loch fällt, also auf ein Schwarzes Loch mit Millionen, Milliarden oder sogar noch mehr Sonnenmassen. Solche supermassereichen Schwarzen Löcher kommen in so gut wie allen Galaxien vor. Der Energieausstoß beeinflusst dabei die Sternentstehung der umgebenden Galaxie – ein Effekt, der bei den massereichsten Galaxien besonders stark ausgeprägt ist. Der aktive Galaxienkern hemmt Sternentstehung, indem er das Gas, das den Rohstoff für neue Sterne bildet, erhitzt. Er kann aber auch dazu beitragen, jenes Gas zu verdichten, und die Sternentstehung damit zu fördern.

Die Entstehung der ersten Galaxien und ihrer zentralen Schwarzen Löcher ist ein hoch aktives Forschungsgebiet. Ein wichtiger Teil des Puzzles ist dabei die Suche nach den ersten Quasaren, und die Untersuchung ihrer Heimatgalaxien. Allerdings ist solch ein Blick in die Vergangenheit immer eine Herausforderung: Wir sehen Objekte genau dann so, wie sie im frühen Universum waren, wenn ihr Licht besonders lange benötigt hat, um uns zu erreichen. Zeigt uns das Licht, das heute unsere Teleskope erreicht, uns einen Quasar so, wie er vor 13,4 Milliarden Jahren war, dann liegt das schließlich daran, dass jenes Licht 13,4 Milliarden Jahre gebraucht hat, um von jenem Quasar zu unseren Teleskopen zu gelangen.

Auf der Suche nach „gewöhnlichen“ Quasaren

Über so große Entfernungen beobachtet erscheinen selbst von Natur aus extrem helle Objekte wie Quasare vergleichsweise leuchtschwach. Am einfachsten zu beobachten sind naturgemäß besonders helle Exemplare – aber dass ein Quasar extrem hell ist, bedeutet gleichzeitig, dass er nicht repräsentativ für die Population der Quasare insgesamt sein dürfte. Und genau hier kann das ESA-Weltraumteleskop seine Stärken ausspielen: als besonders guter “Quasar-Finder” im frühen Universum – eine beachtliche Leistungsfähigkeit, die durch Nachbeobachtungen mit bodengestützten Teleskopen bestätigt wird. 

Eduardo Bañados, Gruppenleiter am MPIA und von 2022 bis 2025 Co-Leiter der Quasar-Gruppe für Euclid, sagt: „Zu sehen, wie Euclid sein Potenzial ausschöpft, ist ungemein befriedigend. Aber es kommt noch besser: Zum ersten Mal können wir gewöhnliche, typische Quasare im frühen Universums untersuchen, nicht nur außergewöhnlich helle. Das liefert Informationen darüber, wie der Großteil der frühen Schwarzen Löcher gewachsen ist – und wie diese Schwarzen Löcher ihre Heimatgalaxien beeinflusst haben.“

Nach nur 1,5 Jahren Beobachtungszeit hat Euclid die Zahl der bekannten frühen Quasare von neun auf 21 bereits mehr als verdoppelt. (Gemeint sind dabei Quasare mit Rotverschiebung z > 7, also Quasare, die wir so sehen, wie sie weniger als 800 Millionen Jahre nach dem Urknall waren.) Innerhalb weniger Monate konnte Euclid den Rotverschiebungsrekord für Quasare dabei nicht nur einmal, sondern gleich zweimal brechen!

Eigenschaften einer frühen Heimatgalaxie

Für einen jener gewöhnlichen frühen Quasare konnten Belladitta und ihr Team die Heimatgalaxie genauer unter die Lupe nehmen. Der Quasar trägt die Bezeichnung EUCL J125308.55+705432.3 (ein “Name”, der sich aus der Position des Quasars am Himmel ableitet). Was uns heute an Licht von diesem Quasar erreicht, wurde vor 13 Milliarden Jahren ausgestrahlt, ganze 800 Millionen Jahre nach dem Urknall (bei der Rotverschiebung z=7,7). Der Quasar ist im UV-Bereich nur rund 15% so hell wie frühere Quasare, die den Rekord bei der Rotverschiebung hielten.

Für ihre Beobachtungen der Heimatgalaxie nutzten die Astronom*innen das NOEMA-Antennenfeld (NOrthern Extended Millimeter Array) auf dem Plateau de Bure in den französischen Alpen. Die zwölf 15-Meter-Antennen von NOEMA werden so zusammengeschaltet, dass sie wie ein einzelnes, deutlich größeres Teleskop agieren. Mit diesem Verbund beobachteten die Astronom*innen die Heimatgalaxie bei zwei sorgfältig ausgewählten Submillimeter-Wellenlängen.

Mit Submillimeterlicht zu Sternentstehung und Staubgehalt

Die erste Art von Licht heißt in der Astronomie [CII]-Linie. Solches Licht entsteht in Molekülwolken, in denen gerade neue Sterne entstehen. Aus der Helligkeit jener Linie kann man daher auf die Sternentstehungsrate einer Galaxie schließen.

Das Licht ermöglicht zudem eine Massenschätzung: Die meisten von uns haben schon direkt erlebt, wie sich das Tatü-Tata eines Einsatzfahrzeugs verändert, wenn das Fahrzeug an uns vorbeifährt. Bewegung beeinflusst die Wellenlänge von Wellen. In einer Art Umkehrschluss können die Astronom*innen aus der Form der [CII]-Linie rekonstruieren, wie sich das Gas in der betreffenden Galaxie bewegt. Das wiederum erlaubt eine Abschätzung der Masse jener Galaxie.

Die zweite Art von Submillimeter-Licht, die Belladitta und ihre Kolleg*innen untersucht haben, ist die Wärmestrahlung des kalten Staubs in einer Galaxie. Die Intensität dieses Lichts lässt Rückschlüsse darauf zu, mit wie viel Staub wir es in jener Galaxie zu tun haben. Die Menge an Staub wiederum hängt typischerweise mit der Menge an molekularem Wasserstoff in einer Galaxie zusammen, dem Ausgangsmaterial für die Sternentstehung – und die Beobachtungen zeigen, dass jene Galaxie offenbar viel Staub und damit molekularen Wasserstoff besitzt!

Die Sternentstehungsrate rekonstruieren

Aus ihren Beobachtungen konnten Belladitta und ihren Kolleg*innen wichtige Eigenschaften der Galaxie rekonstruieren, in der sich der Quasar befindet. In jener Galaxie entstehen offenbar jedes Jahr neue Sterne mit einer Gesamtmasse von mehr als 250 Sonnenmassen pro Jahr. Im Vergleich mit rund einer Sonnenmasse an neuen Sternen pro Jahr in unserer Milchstraße ist das viel. Die hohe Sternentstehungsrate kommt angesichts früherer Beobachtungen an weniger weit entfernten Quasaren aber nicht unerwartet. Die Masse der Galaxie ergibt sich zu rund zehn Milliarden Sonnenmassen. Das ist rund ein Zehntel der Masse unserer Milchstraße, und passt zu einer frühen Galaxien, die den Großteil ihres Wachstums erst noch vor sich hat.

Silvia Belladitta, Postdoktorandin am MPIA, Hauptautorin der Studie und neue Co-Leiterin der Quasar-Arbeitsgruppe von Euclid, sagt: „Wir haben eine Galaxie gefunden, die alle Zutaten dafür besitzt, einmal zu einem wirklich großen Exemplar zu werden: Sie ist so massereich wie die Heimatgalaxien der hellsten frühen Quasare, und sie enthält ein riesiges Reservoir an molekularem Gas, das intensive Sternentstehung ermöglicht. Das eröffnet eine faszinierende Möglichkeit: UV-schwache Quasare wie EUCL J125308.55+705432.3 befinden sich möglicherweise in einerm anderen Entwicklungsstadium als ihre leuchtkräftigeren Verwandten. Entweder wächst das Schwarze Loch bei ihnen langsamer als bei den hellsten Quasaren, oder aber ein Großteil ihrer Aktivität ist hinter dichten Staubwolken verborgen. Welche dieser Möglichkeiten zutrifft, müssen wir jetzt mit Hilfe zukünftiger Beobachtungen herausfinden.“

Zukunftspläne

Für unser Gesamtbild der Galaxienentwicklung sind das einzelne Puzzleteile, aber es sind durchaus wichtige Puzzleteile, die den Astronom*innen zudem sagen, was es als Nächstes zu untersuchen gilt. Die vollständige, auf sechs Jahre angelegte Himmelsdurchmusterung mit Euclid dürfte Hunderte weiterer früher Quasare dieser Art finden. Folgebeobachtungen wie die von Belladitta und ihren Kolleg*innen werden dazu jeweils Informationen über Sternentstehungsraten und Galaxienmassen liefern. Damit dürfte nach und nach ein immer vollständigeres Bild der frühesten Galaxien und supermassereichen Schwarzen Löcher im Universum entstehen. Entsprechend detailreicher dürfte unser Bild von der Entstehung und Entwicklung der frühesten Galaxien – und damit einer wichtigen Voraussetzung für unsere eigene Existenz – werden.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden veröffentlicht als Belladitta et al. „Euclid: A UV-faint quasar in a highly luminous star-forming host galaxy at z≈7.7“ in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics, doi:10.1051/0004-6361/202659319. Die Ergebnisse der Euclid-Quasar-Suche wurden veröffentlicht als D. Yang et al., „Euclid: Discovery of 31 new quasars at 6.6 < z < 7.8“ in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics, doi:10.1051/0004-6361/202658883.

Die beteiligten Wissenschaftler des MPIA sind Silvia Belladitta, Eduardo Banados, Fabian Walter, Knud Jahnke, Sarah Bosman, Julien Wolf und Mischa Schirmer in Zusammenarbeit mit Roberto Decarli (INAF-Observatorium, Bologna), Daming Yang (Sternwarte Leiden), Francesco Guarneri (Universität Hamburg) und dem Rest der Euclid-Kollaboration.

Euclid ist eine Mission der ESA, die die Eigenschaften von dunkler Energie und dunkler Materie über die gesamte bisherige kosmische Geschichte hinweg vermessen soll. Seit dem Start des Weltraumteleskops im Jahre 2023 ist Euclid dabei, rund ein Drittel des Himmels zu durchmustern, Bilder von zwei Milliarden Galaxien aufzunehmen und die genauen Entfernungen von rund 50 Millionen Galaxien zu bestimmen. Die erste große Datenveröffentlichung von Euclid, DR1, wird der internationalen wissenschaftlichen Community im November 2026 Daten zu einer Fläche von fast 2000 Quadratgrad liefern. Das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) ist Gründungsmitglied des Euclid-Konsortiums, einer Gruppe von mittlerweile mehr als 150 Institutionen in Europa, Kanada, Japan und den USA. Während der Bauphase hat das MPIA Hardware für das Nahinfrarot-Instrument an Bord von Euclid beigesteuert. Aktuell sind Wissenschaftler des MPIA am Betrieb des Weltraumteleskops beteiligt und leiten die gesamten Kalibrierungsarbeiten für Euclid.