Dank der stark verbesserten Fähigkeiten der heutigen Teleskope haben Astronomen tiefer in den Kosmos und weiter zurück in die Vergangenheit vorgedrungen. Auf diese Weise konnten sie einige langjährige Rätsel lösen, wie sich das Universum seit dem Urknall entwickelt hat. Eines dieser Rätsel ist, wie sich supermassive Schwarze Löcher (SMBHs), die eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Galaxien spielen, im frühen Universum gebildet haben.
Mit dem Very Large Telescope (VLT) der ESO in Chile beobachtete ein internationales Team von Astronomen Galaxien, wie sie etwa 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall (vor ca. 12,5 Milliarden Jahren) erschienen. Überraschenderweise beobachteten sie große Reservoire an kühlem Wasserstoffgas, die eine ausreichende „Nahrungsquelle“ für SMBHs darstellen könnten. Diese Ergebnisse könnten erklären, wie SMBHs in der als Cosmic Dawn bekannten Zeit so schnell wuchsen.
Das Team wurde von Dr. Emanuele Paolo Farina vom Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und dem Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) geleitet. Zu ihm gesellten sich Forscher des MPIA und des MPA, des European Southern Observatory (ESO), der UC Santa Barbara, des Arcetri Astrophysical Observatory, des Astrophysics and Space Science Observatory von Bologna und des Max-Planck-Instituts für außerirdische Physik (MPEP).
Seit Jahrzehnten untersuchen Astronomen SMBHs, die im Kern der meisten Galaxien existieren und durch ihre aktiven galatischen Kerne (AGN) identifiziert werden. Diese Kerne, die auch als Quasare bekannt sind, können mehr Energie und Licht emittieren als die übrigen Sterne in der Galaxie zusammen. Am weitesten entfernt ist ULAS J1342 + 0928, das 13,1 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt.
Angesichts der Tatsache, dass sich die ersten Sterne schätzungsweise nur 100.000 Jahre nach dem Urknall (vor ca. 13,8 Milliarden Jahren) gebildet haben, bedeutet dies, dass sich SMBHs schnell von den ersten Sternen gebildet haben mussten, um zu sterben. Bis jetzt hatten Astronomen Staub und Gas im frühen Universum jedoch nicht in ausreichend großen Mengen gefunden, um dieses schnelle Wachstum zu erklären.
Darüber hinaus haben frühere Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) gezeigt, dass frühe Galaxien viel Staub und Gas enthielten, was zu einer schnellen Sternentstehung führte. Diese Ergebnisse zeigten, dass nicht viel Material übrig geblieben wäre, um Schwarze Löcher zu füttern, was das Rätsel, wie auch sie so schnell wuchsen, nur vertiefte.
Um dies zu beheben, stützten sich Farina und seine Kollegen auf Daten, die vom Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) des VLT gesammelt wurden, um 31 Quasare in einer Entfernung von etwa 12,5 Milliarden Lichtjahren zu vermessen (und beobachteten damit, wie sie vor 12,5 Milliarden Jahren aussahen). Dies macht ihre Untersuchung zu einer der größten Stichproben von Quasaren aus dieser frühen Periode des Universums. Was sie fanden, waren 12 ausgedehnte und überraschend dichte Wasserstoffwolken.
Diese Wasserstoffwolken wurden durch ihr charakteristisches Leuchten im UV-Licht identifiziert. Angesichts der Entfernung und des Effekts der Rotverschiebung (bei der die Wellenlänge des Lichts aufgrund der kosmischen Ausdehnung gedehnt wird) nehmen erdgebundene Teleskope das Leuchten als rotes Licht wahr. Wie Farina in einer MPIA-Pressemitteilung erklärte:
“Die wahrscheinlichste Erklärung für das leuchtende Gas ist der Fluoreszenzmechanismus. Der Wasserstoff wandelt die energiereiche Strahlung des Quasars in Licht mit einer bestimmten Wellenlänge um, die durch einen Schimmer wahrgenommen wird.”
Die Wolken aus kühlem, dichtem Wasserstoff - die mehrere Milliarden Mal so groß waren wie die Masse der Sonne - bildeten Halos um die frühen Galaxien, die sich 100.000 Lichtjahre von den zentralen Schwarzen Löchern aus erstreckten. Normalerweise ist es ziemlich schwierig, solche Wolken um Quasare (die sehr hell sind) zu erkennen. Dank der Sensibilität des MUSE-Instruments, das Farina als „Game Changer“ bezeichnete, fand das Team sie jedoch ziemlich schnell.
Als Alyssa Drake, eine Forscherin des MPIA, die ebenfalls zur Studie beigetragen hat, sagte:
“Mit den aktuellen Studien beginnen wir gerade erst zu untersuchen, wie sich die ersten supermassiven Schwarzen Löcher so schnell entwickeln konnten. Aber neue Instrumente wie MUSE und das zukünftige James Webb-Weltraumteleskop helfen uns, diese aufregenden Rätsel zu lösen.”
Das Team stellte fest, dass diese Gashalos eng an die Galaxien gebunden waren und die perfekte „Nahrungsquelle“ darstellten, um sowohl die schnelle Sternentstehung als auch das Wachstum supermassiver Schwarzer Löcher aufrechtzuerhalten. Diese Beobachtungen lösen effektiv das Rätsel, wie supermassereiche Schwarze Löcher so früh in der Geschichte des Universums existieren könnten. Wie Farina es zusammenfasst:
“Wir können jetzt zum ersten Mal zeigen, dass Urgalaxien genug Nahrung in ihrer Umgebung haben, um sowohl das Wachstum supermassiver Schwarzer Löcher als auch die kräftige Sternentstehung aufrechtzuerhalten. Dies fügt dem Puzzle, das Astronomen bauen, um sich vorzustellen, wie sich kosmische Strukturen vor mehr als 12 Milliarden Jahren gebildet haben, ein grundlegendes Stück hinzu.”
In Zukunft werden Astronomen über noch ausgefeiltere Instrumente verfügen, mit denen sie Galaxien und SMBHs im frühen Universum untersuchen können, um noch mehr Details über alte Gaswolken zu erfahren. Dazu gehören das Extrem Large Telescope (ELT) der ESO sowie weltraumgestützte Teleskope wie das James Webb Space Telescope (JWST).
Die Studie, die die Ergebnisse des Teams beschreibt, erschien in der Ausgabe vom 20. Dezember von Das astrophysikalische Journal.
