Wissenschaftler haben das am weitesten entfernte ruhende Schwarze Loch entdeckt, das jemals aufgezeichnet wurde und dessen Ursprung im frühen Universum verloren geht.
Um die Anfangsphasen des Kosmos zu verstehen, beobachten Astronomen häufig Quasare, supermassereiche Schwarze Löcher, die in voller Aktivität Materie verbrauchen und intensive Leuchtkraft ausstrahlen. Allerdings erzählen diese spektakulären Phänomene nicht die ganze Geschichte. Die Identifizierung des am weitesten bekannten ruhenden Schwarzen Lochs bietet nun einen einzigartigen Einblick in ein kolossales kosmisches Gebilde, das seine Aktivität eingestellt hat.
Die globale Forschungsgruppe lokalisierte unter Beteiligung von Wissenschaftlern des University College London (UCL) dieses Schwarze Loch in der Galaxie MRG-M0138, die sich in einer Entfernung von mehr als 10 Milliarden Lichtjahren von unserem Planeten befindet. Dieser in der Fachzeitschrift „Science“ ausführlich beschriebene Befund übertrifft den Entfernungsrekord für ein inaktives Schwarzes Loch um das Fünfzehnfache.
Mit einer geschätzten Masse von rund 6 Milliarden Sonnenmassen wird dieses Schwarze Loch zu einer Zeit wahrgenommen, als das Universum erst 3 Milliarden Jahre alt war. Während aktive Quasare Hinweise auf beschleunigtes Wachstum liefern, offenbart die Anwesenheit eines schlafenden Riesen die ruhigeren Phasen und bietet eine einzigartige Gelegenheit, die Koevolution massereicher Schwarzer Löcher und ihrer Muttergalaxien in den frühen Stadien des Universums zu erforschen.
Um die kolossale Masse zu berechnen, nutzten die Forscher Daten des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA und kartierten präzise die Verschiebungen von Sternen, die das Objekt umkreisen, die sonst nicht wahrnehmbar wären. Obwohl diese als Sterndynamik bekannte Technik bereits zur Messung inaktiver Schwarzer Löcher in nahegelegenen Galaxien eingesetzt wurde, ist dies die erste erfolgreiche Anwendung in einer so großen Entfernung im Kosmos.
Professor Richard Ellis, Studienleiter und Mitglied der Abteilung für Physik und Astronomie am UCL, betonte die Bedeutung der Entdeckung. Er erklärte: „Die Analyse der kollektiven Bewegung der Sterne im Zentrum dieser fernen Galaxie hat es ermöglicht, die Masse ihres supermassiven Schwarzen Lochs zu messen, etwas, das sonst unmöglich zu ermitteln wäre.“ Er fügte hinzu: „Durch den Nachweis der Anwendbarkeit dieses Ansatzes auf Galaxien im frühen Universum eröffnet er den Weg für eine tiefergehende Untersuchung der Entwicklung von Schwarzen Löchern im Laufe der Zeit und ihres Einflusses auf die galaktische Entwicklung.“
Verstehen Sie, wie die Masse eines unsichtbaren Schwarzen Lochs berechnet wurde
Schwarze Löcher strahlen von Natur aus kein Licht direkt aus, aber das Gas, das sie einfangen, kann immense Mengen an Strahlungsenergie freisetzen. Diese Punkte intensiver Leuchtkraft, sogenannte aktive galaktische Kerne oder Quasare, gehören zu den hellsten im Universum und sind vergleichsweise einfach zu entdecken.
Im Gegensatz zu Quasaren befindet sich das supermassereiche Schwarze Loch in der Galaxie MRG-M0138 in einem Zustand der Inaktivität. Da zu diesem Zeitpunkt kein Gas auf ihn niederfiel, war seine Entdeckung durch Astronomen nur durch Beobachtung der Gravitationswirkung möglich, die auf die Sterne in seiner Nähe ausgeübt wurde.
Durch die Analyse der konjugierten Bewegungsmuster der Sterne, die den Kern der Galaxie umgeben, bestätigte das Team die Existenz des Schwarzen Lochs und konnte seine Masse abschätzen. Die Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Sternen, die dem Schwarzen Loch am nächsten und denen am weitesten entfernt sind, lieferten die entscheidenden Elemente für diese Messung.
Diese Methode spiegelt die Methode wider, die zur Bestimmung der Masse des Schwarzen Lochs im Herzen der Milchstraße, unserer Galaxie, und auch in anderen nahegelegenen Galaxien verwendet wird. Dies stellt jedoch den ersten Antrag für einen Himmelskörper dar, der sich in solch einer außergewöhnlichen Entfernung befindet. Zuvor war das am weitesten entfernte galaktische Objekt, das mit dieser Technik untersucht wurde, etwa 700 Millionen Lichtjahre entfernt.
Wie Gravitationslinsen eine historische Entdeckung ermöglichten
Normalerweise wäre die Beobachtung von Sternbewegungen in einer so weit entfernten Galaxie eine undurchführbare Aufgabe. Wissenschaftler haben diese Schwierigkeit überwunden, indem sie das Phänomen des Gravitationslinseneffekts genutzt haben, der als natürliche kosmische Verstärkung wirkt.
Eine Zwischengalaxie, die sich zwischen der Erde und MRG-M0138 befindet, beugt und lenkt das von der fernen Galaxie kommende Licht um, was zu einer dreißigfachen Vergrößerung ihres Bildes führte. Diese Funktion ermöglichte es den Forschern, die innere Konfiguration der Galaxie mit einer Präzision zu rekonstruieren, die sonst unerreichbar gewesen wäre.
Dr. Andrew Newman, Hauptautor bei Carnegie Science in Pasadena, Kalifornien, kommentierte die Methode. Er erklärte, dass „die Fusion von JWST-Daten mit dem Effekt der Gravitationslinse es uns ermöglichte, tief in den Einflussbereich des Schwarzen Lochs vorzudringen, wo die Gravitationskraft die Sterne beschleunigt.“ Newman beschrieb es weiter als „eine der effektivsten Techniken, die wir haben, um die Masse eines Schwarzen Lochs zu messen, was uns begeistert hat, sie so weit zurück in der Geschichte des Universums anzuwenden.“ Bisher wurden nur wenige inaktive Schwarze Löcher dieser Größenordnung identifiziert, die sich alle deutlich näher an unserem Planeten befinden.
Neue Einblicke in die Entwicklung von Galaxien durch Entdeckung
Dieser Befund liefert entscheidende Hinweise auf die gemeinsame Entwicklung von Galaxien und ihren zentralen Schwarzen Löchern in den frühen Zeitaltern des Universums. Obwohl Beobachtungen benachbarter Galaxien einen robusten Zusammenhang zwischen der galaktischen Masse und der Masse des Schwarzen Lochs gezeigt haben, benötigen Wissenschaftler noch weitere Informationen aus älteren kosmischen Phasen, um die Entstehung dieses Zusammenhangs aufzuklären.
Die Studiengruppe stellte fest, dass sowohl das Schwarze Loch als auch seine Muttergalaxie inaktiv sind. Die Galaxie erzeugt keine neuen Sterne mehr, was zu der Annahme führt, dass MRG-M0138 in der fernen Vergangenheit möglicherweise einen extrem leuchtenden Quasar beherbergte. Die Hypothese der Forscher ist, dass das schnelle Wachstum des Schwarzen Lochs Energie freisetzte, die durch Erhitzen oder Ausstoßen lebenswichtigen Gases die Entstehung neuer Sterne entscheidend verlangsamte.
Unter Wissenschaftlern besteht die Erwartung, dass zukünftige Beobachtungen, die mit dem James Webb Space Telescope (JWST) und anderen Instrumenten durchgeführt werden, noch viele weitere ruhende Schwarze Löcher aus den Urzeiten des Universums ans Licht bringen werden. Solche Enthüllungen könnten das Verständnis darüber vertiefen, wie diese kosmischen Einheiten die Entstehung von Sternen verhindern und wie ruhende Schwarze Löcher durch den Zustrom neuer Materie reaktiviert werden können.