Astronomen haben einen supermassiven, von Schwarzen Löchern angetriebenen Quasar entdeckt, der möglicherweise dazu beigetragen hat, im frühen Universum „das Licht anzuschalten“.
Die intensive Aufhellung und Abschwächung dieses Quasars wurde vom Röntgen-Weltraumteleskop NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope ARray) der NASA beobachtet. Die Beobachtungen von NuSTAR wurden dann mit Daten über dasselbe fressende supermassive Schwarze Loch vom Chandra-Röntgen-Weltraumteleskop der NASA abgeglichen.
Die neuen Erkenntnisse könnten helfen zu erklären, wie das „dunkle Zeitalter“ des frühen Universums zu Ende ging und wie Schwarze Löcher vor so langer Zeit schnell auf Massen anwuchsen, die Millionen oder Milliarden von Sonnen entsprachen.
Es wird angenommen, dass supermassereiche Schwarze Löcher durch eine Kette von Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher und durch die Aufnahme großer Mengen an Gas und Staub so groß werden. Das Problem ist, dass man davon ausgeht, dass dieser Prozess mindestens eine Milliarde Jahre dauert. Das bedeutet, dass supermassive Schwarze Löcher, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existieren, eine Herausforderung darstellen, die Astronomen unbedingt lösen möchten.
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Der neu untersuchte Quasar mit der Bezeichnung CFHQS J142952+54471 (J1429+5447) ist so weit entfernt, dass sein Licht fast 13 Milliarden Jahre lang zur Erde gereist ist und sich damit genau am Ende dieser herausfordernden Zeit befindet.
„In dieser Arbeit haben wir herausgefunden, dass dieser Quasar sehr wahrscheinlich ein supermassereiches Schwarzes Loch mit einem auf die Erde gerichteten Jet ist – und wir sehen ihn in den ersten Milliarden Jahren des Universums“, sagte die Forscherin Lea Marcotulli, Leiterin des Studienteams an der Yale University, sagte in einer Erklärung.
Diese Zeitleiste bedeutet, dass dieses supermassereiche Schwarze Loch, dessen Masse schätzungsweise etwa 200 Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne, in einer lebenswichtigen kosmischen Periode existierte, die als „Epoche der Reionisierung“ bekannt ist.
Lass es Licht sein…
Das kosmische dunkle Zeitalter war ein Zeitraum, der bis etwa 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall existierte.
Als das Universum etwa 380.000 Jahre alt war, war es so weit abgekühlt, dass Elektronen und Protonen zusammenkommen und Atome bilden konnten. Das Verschwinden der freien Elektronen führte dazu, dass Photonen, die Grundteilchen des Lichts, nicht mehr endlos hin- und hergeschleudert wurden und tatsächlich weite Strecken zurücklegen konnten.
Mit anderen Worten: Der Kosmos wurde plötzlich von undurchsichtig zu transparent. Ein fossiler Überrest dieses „ersten Lichts“ existiert heute in Form des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB).
Als sich das Universum jedoch weiter abkühlte, bildeten sich mehr neutrale Wasserstoffatome und begannen massenhaft Photonen zu absorbieren. Dies führte dazu, dass das Universum wieder dunkel wurde und das kosmische dunkle Zeitalter seinen Anfang nahm.
Die Epoche der Reionisierung beschreibt den Zeitraum von 680 Millionen Jahren bis 1,1 Milliarden Jahre nach dem Urknall, in dem hochenergetisches Licht begann, den Wasserstoffionen Elektronen zu entziehen, sodass sich das Licht wieder frei bewegen konnte.
Obwohl angenommen wird, dass ultraviolettes Licht der ersten Sterne der Schlüssel zum Reionisierungsprozess war, haben Wissenschaftler schon lange vermutet, dass auch andere Quellen hochenergetischen Lichts am Werk gewesen sein müssen.
Hier kommen frühe Quasare ins Spiel.
„Die Epoche der Reionisierung gilt als das Ende des dunklen Zeitalters des Universums“, sagte Thomas Connor, Mitglied des Studienteams und Wissenschaftler am Chandra X-Ray Center. „Über den genauen Zeitrahmen und die Quellenklasse, die für die Reionisierung verantwortlich sind, wird immer noch diskutiert, und die aktive Ansammlung supermassereicher Schwarzer Löcher ist einer der vorgeschlagenen Schuldigen.“
Quasare beseitigen den frühen kosmischen Nebel
Quasare werden dort gesehen, wo supermassive Schwarze Löcher sich gierig von der sie umgebenden Materie ernähren.
Diese supermassiven Schwarzen Löcher erzeugen eine enorme Reibung in den abgeflachten Materialwolken, den sogenannten Akkretionsscheiben, die sie nach und nach ernähren. Darüber hinaus wird Materie, die nicht dem Schwarzen Loch zugeführt wird, zu seinen Polen geleitet, von wo aus sie als Jets mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausgestoßen wird.
Das macht Quasare wie J1429+5447 oft heller als das kombinierte Licht aller Sterne in den Galaxien, die sie im gesamten elektromagnetischen Spektrum umgeben.
Daher sind sie nicht nur die idealen Quellen für die Erforschung des Endes des kosmischen dunklen Zeitalters, sondern auch Hauptverdächtige bei der Suche nach diesem überaus wichtigen universellen Phasenwechsel, der möglicherweise die Energie zur Ionisierung von neutralem Wasserstoff liefert.
Connor und Kollegen verglichen die mit NuSTAR gemachten Beobachtungen von J1429+5447 mit den von Chandra durchgeführten Beobachtungen desselben Quasars.
Die Forscher fanden heraus, dass sich die Röntgenemissionen von J1429+5447 über den Zeitraum von vier Monaten verdoppelten. Während dies in einem 165,6 Milliarden Monate alten Universum im kosmischen Maßstab bereits eine unglaublich kurze Zeit ist, führt der zeitverzerrende Effekt der Relativitätstheorie dazu, dass die viermonatigen Veränderungen für diesen Quasar auf nur zwei Wochen für dieses frühe supermassereiche Schwarze Loch komprimiert wurden.
„Da sich der Jet nahezu mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, beschleunigen und verstärken die Effekte von Einsteins spezieller Relativitätstheorie die Variabilität“, erklärte Teammitglied Meg Urry von der Fakultät für Künste und Wissenschaften der Yale University. „Dieser Grad an Röntgenvariabilität in Bezug auf Intensität und Schnelligkeit ist extrem. Er lässt sich mit ziemlicher Sicherheit durch einen auf uns gerichteten Strahl erklären – einen Kegel, in dem Partikel bis zu einer Million Lichtjahre vom Zentrum entfernt transportiert werden.“ supermassereiches Schwarzes Loch.“
Diese Beobachtung könnte Wissenschaftlern nicht nur dabei helfen, die Geheimnisse der Reionisierung zu entschlüsseln, sondern sie könnte auch der Schlüssel zur Entdeckung früherer supermassereicher Schwarzer Löcher und zur Entdeckung, wie sie so groß wurden, sein.
„Die Entdeckung weiterer supermassereicher Schwarzer Löcher, die potenziell Jets beherbergen, wirft die Frage auf, wie diese Schwarzen Löcher in so kurzer Zeit so groß geworden sind und in welchem Zusammenhang die Jets auslösenden Mechanismen stehen könnten“, schlussfolgerte Marcotulli.
Das Team präsentierte seine Arbeit am Dienstag (14. Januar) auf der 245. Tagung der American Astronomical Society in National Harbor, Maryland. Ihre Studie wurde am selben Tag in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht.
