Das fernste Schwarze Loch im Kosmos: Quasar in Entfernung von 13 Milliarden Lichtjahren entdeckt

Astronomen haben den entferntesten bekannten Quasar entdeckt – so weit von uns entfernt, dass sein Licht mehr als 13 Milliarden Jahre brauchte, um uns zu erreichen. Wir sehen diesen Quasar so, wie er 690 Millionen Jahre nach dem Urknall war, und sein Licht liefert wertvolle Informationen über die frühe Geschichte des Universums. Im Zentrum des Quasars befindet sich ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einer Masse von fast 1 Milliarde Sonnenmassen. Die Wirtsgalaxie des Quasars enthält bereits große Mengen an Gas und Staub – eine Herausforderung für die gängigen Modelle der Galaxienentwicklung. Die Ergebnisse wurden nun in Nature und in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.

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Ausführliche Beschreibung

Astronomen haben das fernste Schwarze Loch entdeckt, das wir kennen: einen Quasar, dessen Licht 13 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Entsprechend zeigt uns dieses Licht den Quasar, wie er vor 13 Milliarden Jahren aussah, nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Die Entdeckung war das Ergebnis einer systematischen, mehrjährigen Suche nach fernen Quasaren unter der Leitung von Fabian Walter und Bram Venemans vom Max-Planck-Institut für Astronomie. Der neue Rekordhalter wurde von Eduardo Bañados von der Carnegie Institution for Science mit den Magellan-Teleskopen der Institution (Spiegeldurchmesser 6,5 Meter) in Chile gefunden.

Für den beachtlichen Energieausstoß eines Quasars ist jeweils das supermassereiche zentrale Schwarze Loch der betreffenden Galaxie verantwortlich – in diesem Fall ein schwarzes Loch mit fast einer Milliarde Mal der Masse der Sonne. Gas, welches auf das Schwarze Loch zu fällt, bildet vor dem Hineinfallen eine ultraheiße Akkretionsscheibe. Diese heiße Scheibe macht die Anordnung zu einem der hellsten Objekte im Universum: zu einem Quasar. Der jetzt neu entdeckte Quasar leuchtet so hell wie 40 Billionen Sonnen.

Ferne Quasare liefern wertvolle Informationen über das frühe Universum. Zum einen können sie dazu verwendet werden, das Universum über große Entfernungen regelrecht zu durchleuchten: Das Spektrum des Quasar-Lichts enthält Informationen über die Wasserstoffatome, denen das Licht auf seiner Milliarden Jahre währenden Reise begegnet ist. Das Licht des neu entdeckten entferntesten Quasars enthält sogar  Informationen über eine der frühesten Phasen des Universums, die sogenannte Reionisierungsphase.

Etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall hatte sich das Universum ausreichend abgekühlt, um Wasserstoffatome zu bilden. Einige hundert Millionen Jahre später reionisierten die Ultraviolett-Strahlung der ersten Sterne und der Akkretionsscheiben der ersten Schwarzen Löcher fast den gesamten Wasserstoff im Universum (trennten also die jeweiligen Elektronen von den Wasserstoffkernen, den Protonen). Wann und wie die Reionisierung im Einzelnen stattfand ist eine offene Frage der Forschung. Eduardo Bañados, Hauptautor des Artikels, der die Quasar-Entdeckung beschreibt, sagt: "Die Reionisierung war der letzte große Phasenübergang des Universums und zeigt uns auch die Grenzen unseres astrophysikalischen Wissens auf."

Der neu entdeckte Quasar liefert zur Reionisierung einen entscheidenden neuen Datenpunkt: Sein Licht zeigt, dass ein beachtlicher Anteil des Wasserstoffs 690 Millionen Jahre nach dem Urknall noch neutral, also noch nicht ionisiert war. Das spricht für Modelle, denen zufolge die Reionisierung erst relativ spät in der Geschichte des Universums stattgefunden hat.

Quasare, die so jung sind wie der jetzt entdeckte, liefern außerdem wertvolle Informationen über die Entwicklung von Galaxien. Mit fast einer Milliarde Sonnenmassen ist das zentrale Schwarze Loch dieses Quasars bereits sehr massereich. Die Erklärung, wie sich solch ein massives Schwarzes Loch in so kurzer Zeit gebildet haben könnte, stellt die herkömmlichen Modelle für die Entstehung und Entwicklung supermassiver Schwarzen Löcher vor eine Herausforderung – und schließt einige dieser Modelle bereits aus. Bañados sagt: "Wie das Schwarze Loch innerhalb von weniger als 690 Millionen Jahren eine so große Masse ansammeln konnte, stellt für die Theorien zum Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher eine enorme Herausforderung dar."

Unter der Leitung von Bram Venemans vom MPIA beobachteten die Astronomen den Quasar außerdem mit dem Millimeter-Teleskop NOEMA, das in den französischen Alpen vom Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) betrieben wird, sowie mit dem VLA-Radioteleskop-Array in Socorro, New Mexico. So konnten die Astronomen die Wirtsgalaxie des Quasars identifizieren und untersuchen. Obwohl diese Galaxie ebenfalls nicht älter als 690 Millionen Jahre sein kann, hat sie bereits eine enorme Menge an Staub und schweren chemischen Elementen gebildet. Daraus folgt direkt, dass sie auch bereits eine große Anzahl von Sternen gebildet haben muss. Eine weitere Herausforderung für Modelle, diesmal für Modelle der Galaxienentwicklung. Bram Venemans sagt: "Modelle der Galaxienentwicklung müssen jetzt erklären, wie diese Galaxie in derart kurzer Zeit so viele Sterne bilden konnte, wie uns die beobachteten Mengen an Staub und schwereren chemischen Elementen anzeigen."

Reionisierung, die Entstehung und Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher und ganzer Galaxien – selbst die ersten Beobachtungen des neu entdeckten Quasars haben den Astronomen bereits wichtige Informationen über die kosmische Geschichte geliefert. Folgebeobachtungen sowie die Suche nach vergleichbar fernen Quasaren sollen unser Bild der frühen kosmischen Geschichte jetzt auf eine solide Basis stellen.

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden veröffentlicht als Bañados et al., "An 800 million solar mass black hole in a significant neutral universe at redshift 7.5" in der Zeitschrift Nature, und als Venemans et al., "Copious amounts of dust and gas in a z=7.5 quasar host galaxy", in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters.

Eine ausführliche Beschreibung der Ergebnisse ist hier zu finden.

Ein Vorab-Zugang zum Nature-Artikel ist über press@nature.com erhältlich.

Der Artikel in den Astrophysical Journal Letters wird nach seiner Veröffentlichung über dieses Link zugänglich sein.

• Pressemitteilung der Carnegie Institution for Science (auf Englisch)
• JPL-Pressemitteilung (auf Englisch)
• MIT-Pressemitteilung (auf Englisch)
• IRAM-Pressemitteilung (auf Englisch)

Die beteiligten MPIA-Forscher waren Bram P. Venemans, Chiara Mazzucchelli, Emanuele P. Farina, Fabian Walter, Roberto Decarli und Hans-Walter Rix

in Zusammenarbeit mit

Eduardo Bañados (Carnegie Institution for Science), Xiaohui Fan (University of Arizona), Chris Carilli (NRAO und Cavendish Laboratory, Cambridge, UK), Feige Wang (Peking University), Joseph Hennawi (University of California, Santa Barbara), Rob Simcoe (MIT) und anderen.

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