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James-Webb zeigt staubiges, rasch wachsendes Schwarzes Loch im frühen Universum
Verborgener Gigant: Schon bevor das Universum eine Milliarde Jahre alt war, nahm ein supermassereiches Schwarzes Loch offenbar große Mengen Materie auf. Neue Messungen des Quasars J1440+0019 enthüllen einen durch Staub geröteten Galaxienkern inmitten einer äußerst staubreichen Heimatgalaxie. Der Befund könnte helfen, bisher übersehene Schwarze Löcher aus der kosmischen Frühzeit aufzuspüren.
Leiden (Niederlande). Supermassereiche Schwarze Löcher existierten bereits, als das Universum noch sehr jung war. Wie sie in so kurzer Zeit auf Millionen oder gar Milliarden Sonnenmassen anwachsen konnten, ist noch nicht vollständig geklärt. Sichtbar werden die Schwerkraftgiganten als Quasare, wenn einfallende Materie in ihrer Umgebung intensiv aufleuchtet.
Doch die übliche Suche nach dem ultravioletten Licht dieser aktiven Galaxienkerne hat einen blinden Fleck: Staub kann die Strahlung abschwächen und röten. Dass schon frühe aktive Galaxienkerne in staubreichen Galaxien verborgen sein können, deuteten frühere Beobachtungen an. Wie viel Staub solche Quasare und ihre Heimatgalaxien tatsächlich enthalten, ist aber oft unklar.
Forscher der Leiden University um Daming Yang haben deshalb den bereits bekannten Quasar J1440+0019 genauer untersucht. Sein Licht stammt aus einer Zeit weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall. Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) lieferte ein Spektrum des hellen Kerns, während die Radioteleskopanlage Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) Gas und Staub in der umgebenden Galaxie erfasste.
Die neuen Spektren bestätigen: Der Quasar erscheint nicht deshalb rötlich, weil seine Strahlung ursprünglich so beschaffen ist. Vielmehr passt ihre Wellenlängenverteilung zu einer mäßigen Abschwächung durch Staub entlang der Sichtlinie. Der aktive Kern bleibt dabei direkt erkennbar, ist also nicht vollständig verhüllt.
Aus einer breiten Magnesium-Emissionslinie und der um den Staubeinfluss korrigierten Helligkeit schätzte das Team die Masse des Schwarzen Lochs auf rund 1,1 Milliarden Sonnenmassen. Zugleich erreicht seine Strahlungsleistung etwa 80 Prozent der sogenannten Eddington-Grenze. Diese beschreibt vereinfacht die Leuchtkraft, bei der der Strahlungsdruck dem einströmenden Gas stark entgegenwirkt. Das spricht für einen hohen Materiezustrom.
In dem Spektrum entdeckten die Astronomen zudem drei Absorptionssysteme, deren Lichtsignaturen um rund 900 bis 3.600 Kilometer pro Sekunde blauverschoben sind. Wahrscheinlich stammen sie von ionisiertem Gas, das vom Quasarkern fortströmt. Wie weit dieses Gas vom Schwarzen Loch entfernt ist und ob es selbst Staub enthält, lässt sich aus den Daten noch nicht bestimmen.
Auch die Heimatgalaxie fällt auf. ALMA registrierte eine besonders intensive Spektrallinie von einfach ionisiertem Kohlenstoff, einem wichtigen Indikator für das Gas in fernen Galaxien. Allein diese Linie strahlt mit etwa 7,2 Milliarden Sonnenleuchtkräften. Damit zählt J1440+0019 bei dieser Messgröße zu den hellsten bekannten Quasar-Wirtsgalaxien aus der frühen kosmischen Epoche.
Aus der Wärmestrahlung des Staubs ermittelten die Forscher eine Staubmasse von rund 400 Millionen Sonnenmassen. Dieser Wert hängt allerdings von einem Modell ab, das unter anderem eine Staubtemperatur von 47 Kelvin annimmt. Ebenso ist die aus der Infrarotstrahlung abgeleitete Sternbildungsrate keine direkte Messung: Rund 1.330 Sonnenmassen neuer Sterne pro Jahr sind lediglich eine Obergrenze, weil auch der Quasarkern den Staub aufheizen kann.
Die Beobachtungen zeigen damit einen mäßig geröteten Quasar, dessen Schwarzes Loch ähnlich intensiv Materie aufnimmt wie viele nicht gerötete frühe Quasare. Seine Heimatgalaxie ist zugleich ungewöhnlich leuchtkräftig und staubreich. Ein rötliches Erscheinungsbild bedeutet demnach nicht zwangsläufig, dass der Quasarkern sich in einem grundsätzlich anderen Wachstumszustand befindet.