Dank der stark verbesserten Fähigkeiten heutiger Teleskope haben Astronomen tiefer in den Kosmos und weiter in die Vergangenheit geforscht. Auf diese Weise konnten sie einige seit langem bestehende Mysterien über die Entwicklung des Universums seit dem Urknall . Eines dieser Geheimnisse ist, wie Supermassive Schwarze Löcher (SMBHs), die eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Galaxien spielen, wurden im frühen Universum gebildet.
Verwendung der ESOs Sehr großes Teleskop (VLT) in Chile beobachtete ein internationales Astronomenteam Galaxien, wie sie etwa 1,5 Milliarden Jahre nach dem Urknall (vor ca. 12,5 Milliarden Jahren) erschienen. Überraschenderweise haben sie große Stauseen beobachtet von kühlem Wasserstoffgas, das eine ausreichende „Nahrungsquelle“ für SMBHs hätte bieten können. Diese Ergebnisse könnten erklären, wie SMBHs während der als Cosmic Dawn bekannten Periode so schnell wuchsen.
Das Team wurde von Dr. Emanuele Paolo Farina von der Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) und die Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA). Er wurde von Forschern des MPIA und des MPA, der European Southern Observatory (ESO), der UC Santa Barbara, der Astrophysikalisches Observatorium Arcetri , das Observatorium für Astrophysik und Weltraumwissenschaften von Bologna , und der Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPEP).
Seit Jahrzehnten untersuchen Astronomen SMBHs, die im Kern der meisten Galaxien existieren und durch ihre . identifiziert werden Aktive galaktische Kerne (AGN). Diese Kerne, die auch als Quasare bekannt sind, können mehr Energie und Licht aussenden als der Rest der Sterne in der Galaxie zusammen. Bis heute ist die am weitesten entfernte beobachtete ULAS J1342+0928 , die 13,1 Milliarden Lichtjahre entfernt liegt.
Da 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 aus den ersten Sternen gebildet haben mussten, um zu sterben. Bisher hatten Astronomen jedoch im frühen Universum keine ausreichend hohen Staub- und Gasmengen gefunden, um dieses schnelle Wachstum zu erklären.
Darüber hinaus wurden frühere Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter-Array (ALMA) enthüllte, dass frühe Galaxien viel Staub und Gas enthielten, was eine schnelle Sternentstehung förderte. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass nicht viel Material übrig geblieben wäre, um Schwarze Löcher zu ernähren, was das Geheimnis, wie auch sie so schnell wuchsen, nur vertiefte.
Um dies zu beheben, verließen sich Farina und seine Kollegen auf Daten, die von den VLTs gesammelt wurden Spektroskopie-Explorer mit mehreren Einheiten (MUSE)-Instrument, um 31 Quasare in einer Entfernung von etwa 12,5 Milliarden Lichtjahren zu vermessen (und so zu beobachten, 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 der Wirkung der Rotverschiebung (bei der die Wellenlänge des Lichts aufgrund der kosmischen Expansion gestreckt wird) nehmen erdgebundene Teleskope das Leuchten als rotes Licht wahr. Wie Farina in einem MPIA erklärte Pressemitteilung :
'Die wahrscheinlichste Erklärung für das leuchtende Gas ist der Fluoreszenzmechanismus.Der Wasserstoff wandelt die energiereiche Strahlung des Quasars in Licht einer bestimmten Wellenlänge um, was sich durch einen Schimmer bemerkbar macht.'
Die Wolken aus kaltem, dichtem Wasserstoff – die mehrere Milliarden Sonnenmassen aufwiesen – bildeten um die frühen Galaxien Halos, die sich 100.000 Lichtjahre von den zentralen Schwarzen Löchern entfernt erstreckten. Normalerweise ist es ziemlich schwierig, solche Wolken um Quasare (die sehr hell sind) zu entdecken. Aber dank der Sensibilität des MUSE-Instruments – das Farina als „einen Game Changer“ bezeichnete – fand das Team sie recht schnell.
Als Alyssa Drake, eine Forscherin des MPIA, die auch an der Studie mitgewirkt hat, genannt :
'Mit den aktuellen Studien stehen wir gerade erst am Anfang zu untersuchen, wie sich die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher so schnell entwickeln konnten.Aber neue Instrumente wie MUSE und das zukünftige James-Webb-Weltraumteleskop helfen uns, diese spannenden Rätsel zu lösen.'
Das Team fand heraus, dass diese Gashalos fest mit den Galaxien verbunden sind und die perfekte „Nahrungsquelle“ bieten, um sowohl die schnelle Sternentstehung als auch das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher aufrechtzuerhalten. Diese Beobachtungen lösen effektiv das Geheimnis, wie supermassereiche Schwarze Löcher so früh in der Geschichte des Universums existieren konnten. Als Farina fasst es zusammen :
'Wir können jetzt zum ersten Mal zeigen, dass primordiale Galaxien genügend Nahrung in ihrer Umgebung haben, um sowohl das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher als auch die starke Sternentstehung aufrechtzuerhalten.Dies fügt dem Puzzle, das Astronomen bauen, um sich vorzustellen, wie kosmische Strukturen vor mehr als 12 Milliarden Jahren entstanden sind, ein grundlegendes Stück hinzu.'
In Zukunft werden Astronomen noch ausgefeiltere Instrumente zur Verfügung haben, um Galaxien und SMBHs im frühen Universum zu untersuchen, die noch mehr Details über alte Gaswolken aufdecken sollen. Dazu gehören die ESOs Extrem großes Teleskop (ELT) sowie weltraumgestützte Teleskope wie das James Webb Weltraumteleskop (JWST).
Die Studie, die die Ergebnisse des Teams beschreibt, ist in der Ausgabe vom 20. Dezember von . erschienen Das Astrophysikalische Journal .
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