Astronomen haben einen jungen, leuchtenden Stern entdecktschwarzes LochDas wuchs bereits eine Milliarde Jahre nach dem rasanten TempoUrknall. Diese seltene Entdeckung liefert einen Schlüssel zum Verständnis der Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher in den frühesten Tagen des Universums.
Astronomen haben einen entscheidenden Hinweis gefunden, um zu verstehen, wie supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum so schnell wuchsen. Sie haben einen Blazar entdeckt, einen seltenen und leistungsstarken aktiven Galaxienkern (AGN), der so weit entfernt ist, dass sein Licht 12,9 Milliarden Jahre unterwegs war, um uns zu erreichen.
Die Existenz dieses Blazars deutet darauf hin, dass es im frühen Universum noch viele weitere seiner Art gab, die eine verborgene AGN-Population mit starken Teilchenstrahlen bildeten. Diese Entdeckung ist bedeutsam, da man annimmt, dass Schwarze Löcher mit Jets viel schneller wachsen als solche ohne. Das Verständnis dieser frühen Blazare könnte helfen zu erklären, wie einige Schwarze Löcher so kurz nach dem Urknall supermassereich wurden.
Flammende Herzen der Galaxien
Im Herzen vieler Galaxien liegen aktive galaktische Kerne (), einige der hellsten Objekte im Universum. Ihre immense Energieausbeute kommt von Supermasse, die umgebende Materie durch einen Prozess namens Akkretion anziehen. Dieser Prozess ist der effizienteste der Physik bekannte Weg, Materie in Energie umzuwandeln, wodurch AGN heller leuchten kann als alle Sterne in Hunderten, Tausenden oder sogar mehr Galaxien zusammen und in einem Raumvolumen, das kleiner als unser eigenes Sonnensystem ist.
Mindestens 10 % der AGN erzeugen starke Teilchenjets, Ströme hochenergetischer Teilchen, die aus der Umgebung des Schwarzen Lochs in entgegengesetzte Richtungen schießen. Diese Jets werden durch die Magnetfelder in der Akkretionsscheibe, dem wirbelnden Gas, das das Schwarze Loch umgibt, geformt und geleitet.
Eine besondere Art von AGN, bekannt als Blazar, ist für uns nur sichtbar, wenn einer seiner Jets zufällig direkt auf die Erde gerichtet ist – eine äußerst seltene Ausrichtung. Dadurch erscheint der Blazar außergewöhnlich hell, so als würde man direkt in eine starke Taschenlampe blicken. Blazare sind auch für ihre schnellen Helligkeitsänderungen bekannt, die sich manchmal innerhalb von nur Stunden oder sogar Minuten bewegen. Diese Schwankungen werden durch turbulente Aktivität in der Akkretionsscheibe und komplexe Wechselwirkungen zwischen den Magnetfeldern des Jets und geladenen Teilchen verursacht.
Suche nach aktiven Galaxien im frühen Universum
Die neue Entdeckung war das Ergebnis einer systematischen Suche nach aktiven galaktischen Kernen im frühen Universum, die von Eduardo Bañados, einem Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Astronomie, der sich auf die ersten Milliarden Jahre der kosmischen Geschichte spezialisiert hat, und einem internationalen Team von Astronomen durchgeführt wurde. Da Licht Zeit braucht, um uns zu erreichen, sehen wir entfernte Objekte so, wie sie vor Millionen oder sogar Milliarden Jahren aussahen.
Für die weiter entfernten Objekte, die sogenanntenAufgrund der kosmischen Expansion verschiebt sich ihr Licht zu viel längeren Wellenlängen als den Wellenlängen, bei denen das Licht emittiert wurde. Bañados und sein Team machten sich diese Tatsache zunutze und suchten systematisch nach Objekten, die so weit rotverschoben waren, dass sie im üblichen sichtbaren Licht (in diesem Fall der Dark Energy Legacy Survey) nicht einmal auftauchten, bei einer Radiodurchmusterung (der 3-GHz-VLASS-Durchmusterung) aber helle Quellen waren.
Eine Milliardenjährige Reise durch den Weltraum
Unter den 20 Kandidaten, die beide Kriterien erfüllten, erfüllte nur einer mit der Bezeichnung J0410–0139 das zusätzliche Kriterium, erhebliche Helligkeitsschwankungen im Funkbereich aufzuweisen – was die Möglichkeit nahelegt, dass es sich hierbei um einen Blazar handelte. Die Forscher gruben dann tiefer und setzten eine ungewöhnlich große Batterie von Teleskopen ein, darunter auch Beobachtungen im nahen InfrarotDASs New Technology Telescope (NTT), ein Spektrum mit ESOsSehr großes Teleskop(VLT), zusätzliche Nahinfrarotspektren mit dem LBT, einem der Keck-Teleskope und dem Magellan-Teleskop, Röntgenbilder von XMM-Newton und XMM-Newton der ESANASA’s Chandra-Weltraumteleskope, Millimeterwellenbeobachtungen mit demALMAund NOEMA-Arrays sowie detailliertere Radiobeobachtungen mit den VLA-Teleskopen des US National Radio Astronomy Observatory, um den Status des Objekts als AGN und insbesondere als Blazer zu bestätigen.
Die Beobachtungen ergaben auch die Entfernung des AGN (über die Rotverschiebung) und fanden sogar Spuren der Muttergalaxie, in die das AGN eingebettet ist. Das Licht dieses aktiven galaktischen Kerns hat 12,9 Milliarden Jahre gebraucht, um uns zu erreichen (z=6,9964) und trägt Informationen über das Universum, wie es vor 12,9 Milliarden Jahren war.
„Wo einer ist, sind auch hundert weitere“
Laut Bañados hat „die Tatsache, dass es sich bei J0410–0139 um einen Blazar handelt, einen Jet, der zufällig direkt auf die Erde zeigt, unmittelbare statistische Auswirkungen. Stellen Sie sich als Analogie aus dem wirklichen Leben vor, dass Sie von jemandem lesen, der 100 Millionen US-Dollar in einer Lotterie gewonnen hat. Wenn man bedenkt, wie selten ein solcher Gewinn ist, kann man sofort schließen, dass es viel mehr Menschen gegeben haben muss, die an dieser Lotterie teilgenommen haben, aber nicht einen solch exorbitanten Betrag gewonnen haben. Ähnlich verhält es sich mit der Suche nach einem solchen Gewinn.“ AGN mit einem Jet, der direkt auf uns zeigt, impliziert, dass es zu dieser Zeit in dieser Periode der kosmischen Geschichte viele AGN mit Jets gegeben haben muss, die nicht auf uns gerichtet sind.“
Um es kurz zu machen, um es mit den Worten von Silvia Belladitta, Postdoktorandin am MPIA und Co-Autorin der vorliegenden Veröffentlichung, zu sagen: „Wo einer ist, sind hundert weitere.“
Eine kosmische Lotterie mit enormen Auswirkungen
Das Licht des bisherigen Rekordhalters für den am weitesten entfernten Blazar hat etwa 100 Millionen Jahre weniger gebraucht, um uns zu erreichen (z=6,1). Angesichts der Tatsache, dass wir mehr als 12 Milliarden Jahre zurückblicken, mögen die zusätzlichen 100 Millionen Jahre kurz erscheinen, aber sie machen einen entscheidenden Unterschied. Dies ist eine Zeit, in der sich das Universum schnell verändert.
In diesen 100 Millionen Jahren kann ein supermassereiches Schwarzes Loch seine Masse um eine Größenordnung erhöhen. Aktuellen Modellen zufolge dürfte die Zahl der AGN in diesen 100 Millionen Jahren um den Faktor fünf bis zehn gestiegen sein.
Die Entdeckung, dass es vor 12,8 Milliarden Jahren einen solchen Blazar gab, wäre nicht unerwartet. Die Feststellung, dass es vor 12,9 Milliarden Jahren einen solchen Blazar gab, wie in diesem Fall, ist eine ganz andere Sache.
Unterstützung beim Wachstum von Schwarzen Löchern seit 12,9 Milliarden Jahren
Das Vorhandensein einer ganzen AGN-Population mit Jets zu diesem bestimmten frühen Zeitpunkt hat erhebliche Auswirkungen auf die kosmische Geschichte und das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher in den Zentren von Galaxien im Allgemeinen. Schwarze Löcher, deren AGN Jets haben, können möglicherweise schneller an Masse zunehmen als Schwarze Löcher ohne Jets.
Entgegen der landläufigen Meinung ist es für Gas schwierig, in ein Schwarzes Loch zu fallen. Das Natürliche, was Gas tut, ist, es zu tunOrbitDas Schwarze Loch ähnelt der Art und Weise, wie ein Planet die Sonne umkreist, mit erhöhter Geschwindigkeit, je näher das Gas dem Schwarzen Loch kommt („Drehimpulserhaltung“). Um hineinzufallen, muss das Gas langsamer werden und Energie verlieren. Die mit dem Partikelstrahl verbundenen Magnetfelder, die mit der wirbelnden Gasscheibe interagieren, können für einen solchen „Bremsmechanismus“ sorgen und das Einfallen des Gases unterstützen.
Dies bedeutet, dass die Konsequenzen der neuen Entdeckung wahrscheinlich ein Baustein für jedes zukünftige Modell des Wachstums von Schwarzen Löchern im frühen Universum werden werden: Sie implizieren die Existenz einer Fülle aktiver galaktischer Kerne vor 12,9 Milliarden Jahren, die Jets und damit die damit verbundenen Magnetfelder hatten, die dazu beitragen können, dass Schwarze Löcher mit beträchtlicher Geschwindigkeit wachsen.
Referenzen:
„Ein Blazar in der Epoche der Reionisierung“ von Eduardo Bañados, Emmanuel Momjian, Thomas Connor, Silvia Belladitta, Roberto Decarli, Chiara Mazzucchelli, Bram P. Venemans, Fabian Walter, Feige Wang, Zhang-Liang Xie, Aaron J. Barth, Anna-Christina Eilers, Xiaohui Fan, Yana Khusanova, Jan-Torge Schindler, Daniel Stern, Jinyi Yang, Irham Taufik Andika, Christopher L. Carilli, Emanuele P. Farina, Andrew Fabian, Joseph F. Hennawi, Antonio Pensabene und Sofía Rojas-Ruiz, 17. Dezember 2024,Naturastronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02431-4
„[C ii] Properties and Far-infrared Variability of a z = 7 Blazar“ von Eduardo Bañados, Yana Khusanova, Roberto Decarli, Emmanuel Momjian, Fabian Walter, Thomas Connor, Christopher L. Carilli, Chiara Mazzucchelli, Sofía Rojas-Ruiz und Bram P. Venemans, 18. Dezember 2024,DerAstrophysikalische Tagebuchbriefe.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad823b
Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden veröffentlicht als E. Bañados et al., „A blazar in the epoch of reionization“ inNaturastronomie, und wie E. Bañados et al. „[CII] Eigenschaften und Ferninfrarot-Variabilität eines z = 7 Blazars“ inAstrophysikalische Tagebuchbriefe.
Die beteiligten MPIA-Wissenschaftler sind Edardo Bañados, Silvia Belladitta (auch Inaf Bologna), Fabian Walter, Zhang-Liang Xie, Yana Khusanova und Sofía Rojas-Ruiz (auch).UCLA), in Zusammenarbeit mitEmmanuel Momjian (National Radio Astronomy Observatory, USA), Thomas Connor (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), Roberto Decarli (INAF Bologna) und Chiara Mazzucchelli (Universidad Diego Portales, Chile).
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