Enthüllung des Ursprungs supermassiver Schwarzer Löcher

Das supermassive Schwarze Loch (SMBH; kleiner schwarzer Punkt in der Mitte) saugt das Material um es herum an, das beim Einströmen eine spiralförmige, scheibenartige Form bildet. Die Gravitationsenergie der Materie wird in Strahlung umgewandelt und von der Scheibe abgestrahlt. Kleine bis mittelgroße Objekte mit diesen hellen Rändern werden Quasare genannt. Bildnachweis: Yoshiki Matsuoka

Schwarze Löcher mit außergewöhnlich großen Massen – mehr als eine Million Mal so groß wie die Masse der Sonne, sogenannte supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) – kommen heute im Universum häufig vor. Allerdings bleiben ihre Ursprünge sowie die Einzelheiten darüber, wann, wo und wie sie im Laufe der 13,8 Milliarden Jahre kosmischen Evolution entstanden sind, ein Rätsel.

Forschungen der letzten Jahrzehnte deuten darauf hin, dass sich im Herzen jeder Galaxie kleine, supermassereiche Galaxien befinden, die immer ein Tausendstel der Masse ihrer Muttergalaxie haben.

Diese enge Beziehung weist darauf hin, dass sich Galaxien und supermassereiche Galaxien gemeinsam entwickelt haben. Daher ist die Aufklärung des Ursprungs supermassereicher Sterne nicht nur für das Verständnis der supermassereichen Planeten selbst von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Aufklärung der Entstehungsprozesse von Galaxien, Schlüsselkomponenten des beobachtbaren Universums.

Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt am Anfang des Universums, da seit der Entstehung des Universums Zeit vergangen ist die große Explosion (gemeint ist der Beginn des Universums) war weniger als eine Milliarde Jahre alt. Dank der endlichen Lichtgeschwindigkeit können wir durch die Beobachtung des fernen Universums in die Vergangenheit blicken. Gab es tatsächlich kleine und mittelgroße Objekte, als das Universum erst eine Milliarde Jahre oder weniger alt war?

Ein Beispiel für ein Bild des Nachthimmels, das wir mit dem Subaru-Teleskop aufgenommen haben. Der kleine rote Punkt in der Mitte des vergrößerten Bildes stellt das Licht eines entfernten Quasars dar, der existierte, als das Universum 800 Millionen Jahre alt (13 Milliarden Lichtjahre) war. Bildnachweis: Nationales Astronomisches Observatorium Japans

Ist es möglich, zu schwarzes Loch In so kurzer Zeit eine so große Masse (mehr als eine Million Sonnenmassen und manchmal Milliarden Sonnenmassen) zu gewinnen? Wenn ja, welche physikalischen Mechanismen und Bedingungen liegen dem zugrunde? Um dem Ursprung kleiner und mittelgroßer Objekte näher zu kommen, muss man sie beobachten und ihre Eigenschaften mit Vorhersagen theoretischer Modelle vergleichen. Dazu muss man zunächst feststellen, wo sie sich am Himmel befinden.

Für die Durchführung dieser Studie nutzte das Forschungsteam das Subaru-Teleskop auf dem Berg Mauna Kea in Hawaii. Einer der größten Vorteile von Subaru ist seine weitreichende Überwachungsfähigkeit, und für diesen Zweck ist es besonders gut geeignet.

Da ultrafeine Objekte kein Licht aussenden, suchte das Team nach einer besonderen Klasse namens „Quasare“ – kleinen, ultrafeinen Objekten mit hellen Spitzen, an denen einfallendes Material Gravitationsenergie freisetzt. Sie beobachteten eine Himmelsfläche, die 5.000 Mal so groß ist wie der Vollmond, und entdeckten erfolgreich 162 Quasare, die im frühen Universum lebten. Insbesondere existierten 22 dieser Quasare, als das Universum weniger als 800 Millionen Jahre alt war, der älteste Zeitraum, für den Quasare bisher identifiziert wurden.

Die große Anzahl der entdeckten Quasare hat es ihnen ermöglicht, eine grundlegende Metrik namens „Leuchtkraftfunktion“ zu bestimmen, die die räumliche Dichte von Quasaren als Funktion der Strahlungsenergie beschreibt. Sie fanden heraus, dass sich Quasare im frühen Universum sehr schnell bildeten, während die Gesamtform der Leuchtkraftfunktion (ohne Amplitude) im Laufe der Zeit unverändert blieb.

Die Leuchtkraftfunktion beschreibt die Raumdichte (Φ auf der vertikalen Achse) als Funktion der Strahlungsenergie (M1450 auf der horizontalen Achse). Wir zeichnen Leuchtkraftfunktionen für Quasare auf, die beobachtet wurden, als das Universum 0,8 (rote Punkte), 0,9 (grüne Rauten), 1,2 (blaue Quadrate) und 1,5 (schwarze Dreiecke) Milliarden Jahre alt war. Kurven stellen die am besten geeigneten funktionalen Formen dar. Die räumliche Dichte von Quasaren ist im Laufe der Zeit stark angestiegen, während die Form der Leuchtkraftfunktion nahezu unverändert geblieben ist. Bildnachweis: The Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023

Dieses charakteristische Verhalten der Leuchtkraftfunktion stellt starke Einschränkungen für theoretische Modelle dar, die letztendlich alle beobachtbaren Elemente reproduzieren und den Ursprung supermassiver Schwarzer Löcher beschreiben könnten.

Andererseits war bekannt, dass das Universum in seinem frühen Stadium einen großen Phasenübergang erlebt hat, der als „kosmische Reionisierung“ bezeichnet wird. Frühere Beobachtungen deuten darauf hin, dass bei diesem Ereignis der gesamte intergalaktische Raum ionisiert wurde. Die Quelle der Ionisierungsenergie wird noch diskutiert, wobei die Strahlung von Quasaren als vielversprechender Kandidat gilt.

Durch Integration der oben erwähnten Leuchtkraftfunktion haben wir herausgefunden, dass Quasare 10 emittieren²⁸ Photonen pro Sekunde in Einheitsgröße 1 Lichtjahr auf einer Seite im frühen Universum. Dies stellt weniger als 1 % der Photonen dar, die zu dieser Zeit zur Aufrechterhaltung des ionisierten Zustands des intergalaktischen Raums erforderlich waren, und weist somit darauf hin, dass Quasare nur einen geringen Beitrag zur kosmischen Reionisierung leisteten. Andere Energiequellen werden dringend benötigt. Anderen neueren Beobachtungen zufolge könnte es sich dabei um die kompakte Strahlung massereicher heißer Sterne handeln, die Galaxien bilden.

Referenz: „Die Leuchtkraftfunktion eines Quasars bei z = 7“ von Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, John D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikan, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin Hsu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Price, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang und Takauji Yamashita, 6. Juni 2023, Die Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f

Die Studie wurde von der Japan Association for the Promotion of Science, der Mitsubishi Foundation und der National Natural Science Foundation of China finanziert.