Wissenschaftler haben einen „Schwarzen-Loch-Stern“ identifiziert, einen roten Punkt mit intensiver Leuchtkraft im frühen Universum. Dieses Objekt, das eine neue astrophysikalische Kategorie zu sein scheint, hat die Größe unseres Sonnensystems, strahlt jedoch 100 Milliarden Mal mehr Energie aus, als jeder bekannte Stern erzeugen kann. Tatsächlich ähnelt das Ausmaß seiner Energieproduktion eher dem eines Schwarzen Lochs.
Diese einzigartige Kombination lässt den Schluss zu, dass der rote Punkt eine völlig beispiellose astrophysikalische Quelle darstellt. Die Forscher nannten ihn daher den „Schwarzen-Loch-Stern“.
In einem in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikel beschreibt das Team seine Analyse dieses neuen Objekts, das mit Hilfe des James Webb Space Telescope (JWST) der NASA identifiziert wurde. JWST beobachtete den leuchtenden roten Punkt zu einem sehr frühen Zeitpunkt im Universum, nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall.
Die Haupthypothese der Wissenschaftler für den rätselhaften roten Punkt ist, dass es sich um eine Verschmelzung zwischen einem Schwarzen Loch und einem Stern handelt, eine Kombination, die noch nie zuvor aufgezeichnet wurde. Bei dem Objekt handelt es sich wahrscheinlich um eine riesige Wolke aus dichtem Gas, deren Energie nicht aus gewöhnlicher Kernfusion, sondern aus einem zentralen Schwarzen Loch stammt.
Rohan Naidu, Hauptautor der Studie und Mitglied des Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI) des MIT, sagte, dass sich das Verständnis dieses Objekts rasch weiterentwickelt. Er erklärte, dass der Himmelskörper ein zentrales Schwarzes Loch mit einer 100.000-fachen Sonnenmasse habe. Um ihn herum befindet sich eine ausgedehnte Gasschicht, die einem Stern von der Größe des gesamten Sonnensystems ähnelt.
Wenn es sich bei dem hellen roten Punkt tatsächlich um einen Stern eines Schwarzen Lochs handelt, könnte die Entdeckung das Geheimnis anderer rätselhafter „kleiner roter Punkte“ lüften, die bisher in fast jedem vom JWST aufgenommenen Weltraumbild aufgezeichnet wurden.
Naidu erklärte, dass diese kleinen roten Punkte über das gesamte frühe Universum verteilt zu sein scheinen, in der Gegenwart jedoch verschwinden. Die genaue Natur dieser Objekte war eines der am meisten diskutierten Themen in der Ära des James-Webb-Teleskops.
Zu den MIT-Co-Autoren, die an der Studie teilgenommen haben, gehören Robert Simcoe, Direktor des MKI und Professor für Experimentalphysik, und Wendy Sun sowie Mitarbeiter mehrerer anderer Institutionen.
Rohan Naidu und sein Team hatten nicht das primäre Ziel, einen Schwarzen-Loch-Stern zu finden. Sie suchten im Rahmen einer Suche namens „Mirage or Miracle“ (MoM) nach den am weitesten entfernten und ältesten Galaxien. Das Team nutzte JWST zur Beobachtung des tiefen Weltraums und ging zurück in eine Zeit, als das Universum gerade einmal ein paar hundert Millionen Jahre alt war. Der Zweck bestand darin, Galaxien zu lokalisieren, die tatsächlich in dieser fernen Zeit entstanden sind.
Laut Naidu gab es ein Rätsel über die Anwesenheit vieler leuchtender Galaxien in extrem frühen Perioden. Er erklärte, dass das, was einer sehr hellen Urgalaxie ähnelte, also in manchen Fällen ein „Wunder“, tatsächlich eine „Fata Morgana“ sein könnte.
Bei der Untersuchung der JWST-Bilder nach interessanten Quellen für ihre Forschung identifizierten die Astronomen ein auffälliges Merkmal: einen extrem hellen, roten Punkt.
Robert Simcoe erklärte, dass man bei der Beobachtung von etwas sehr Rotem im Universum oft davon ausgeht, dass das Objekt von Staub wie Ruß oder Asche umgeben ist. So wie der Rauch von Waldbränden den Himmel rötlich gefärbt hat, können Himmelskörper durch einen Staubschleier rötlicher erscheinen als ihre eigentliche Farbe.
Allerdings entsprachen andere Merkmale im Licht des Objekts nicht ganz den Erwartungen der Physiker an Staub. Das Team bemerkte auch ein eigenartiges Muster: Die Leuchtkraft des Flecks war intensiv, außer bei bestimmten Wellenlängen, bei denen das Licht vollständig verschwand.
Diese spektrale Störung wird „Balmer-Bruch“ genannt, eine Signatur, die typischerweise mit dichten Gasen in Verbindung gebracht wird, die Photonen in der Atmosphäre von Sternen absorbieren, die einige hundert Millionen Jahre alt sind. Der Stern Wega, einer der hellsten am Nachthimmel, weist genau dieses Muster auf.
Naidu gab an, dass der in diesem Objekt beobachtete Bruch der tiefste sei, der jemals aufgezeichnet wurde, was die Möglichkeit ausschließt, dass es sich um „normale“ Sterne handelt. Dies ließ sie jedoch fragen, ob sie einer neuen Art von „Sternatmosphäre“ gegenüberstanden, allerdings in spektakulärem Ausmaß.
Darüber hinaus zeigte das Rotpunktlicht außer Wasserstoff und Helium fast keine Spuren von Metallen oder anderen Elementen.
„Es war in vielerlei Hinsicht wirklich einzigartig“, sagte Naidu über die Beobachtung.
Um den Ursprung des roten Punktes zu entschlüsseln, führte das Team Simulationen verschiedener Szenarien durch. Ziel war es herauszufinden, welche Kombination astrophysikalischer Eigenschaften die besondere Farbe des Objekts erzeugen könnte.
Simcoe berichtete, dass das Team begann, sich zu fragen, ob es möglich sei, etwas so Rotes nur mit Wasserstoff und ohne Staub herzustellen. Zu ihrer Überraschung war die Antwort positiv, solange es einen extrem dichten Wasserstoffschirm gab, der so kompakt war, dass er eher der Oberfläche eines riesigen Sterns ähnelte als einem verdünnten interstellaren Nebel.
Simulationen deuteten darauf hin, dass der rote Punkt eine leistungsstarke, umhüllte Energiequelle sein könnte, die von einem dichten Kokon aus Wasserstoff umgeben ist. Wenn diese Hypothese wahr wäre, würde sie sowohl den Balmer-Zusammenbruch erklären, der das Licht blockiert, als auch das von Astronomen beobachtete Fehlen anderer Elemente als Wasserstoff und Helium. Allerdings blieb die extreme Leuchtkraft des Objekts noch ungeklärt.
Naidu erklärte, dass das Objekt wie ein Stern aussieht, aber 100 Milliarden Mal heller ist. Das bedeutet, dass seine Energie nicht durch Kernfusion erzeugt werden kann, die die Energiequelle aller bekannten Sterne ist.
Schwarze Löcher hingegen produzieren routinemäßig Energie in den vom Team beobachteten Größenordnungen. Naidu und seine Kollegen integrierten ein aktives, akkretierendes Schwarzes Loch in ihre Simulationen des wasserstoffumhüllten Sterns und variierten dabei die Masse des Schwarzen Lochs und andere Parameter.
Später verglichen sie die resultierende Leuchtkraft des simulierten „Schwarzen-Loch-Sterns“ mit der Leuchtkraft, die JWST am roten Punkt beobachtete.
Anhand dieser Simulationen fanden die Forscher die größte Übereinstimmung und kamen zu dem Schluss, dass das wahrscheinlichste Szenario zur Erklärung des roten Punkts ein Stern eines Schwarzen Lochs ist. Konkret muss das Objekt ein zentrales Schwarzes Loch mit einer etwa 100.000-fachen Sonnenmasse enthalten. Dieser mächtige Kern ist von einer dichten Hülle aus Wasserstoff umgeben, ähnlich einem Stern, dessen Abmessungen denen des Sonnensystems nahekommen.
Das Team nannte das Objekt MoM-BH*-1, in Anlehnung an die Forschung, die es entdeckte, und den Namen „Schwarzes Loch Stern – eins“, was darauf hindeutet, dass dies das erste von vielen ist. Die Forscher glauben, dass Sterne aus Schwarzen Löchern Aufschluss über die Natur mehrerer anderer kleiner roter Punkte geben könnten, die in JWST-Bildern erscheinen, obwohl diese Objekte nicht so leuchtend sind wie MoM-BH*-1.
Naidu betonte, dass jeder kleine rote Punkt mit der Hypothese übereinstimmt, dass es sich um einen Stern eines Schwarzen Lochs handelt, eingebettet in eine generische Urgalaxie. Das Besondere an MoM-BH*-1 ist jedoch, dass der Stern des Schwarzen Lochs seine umgebende Galaxie vollständig überstrahlt und so das reine Licht eines Sterns des Schwarzen Lochs beobachten kann.
