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Die Masse eines Schwarzen Lochs im frühen Universum

| Max-Planck-Institut

Mit dem verbesserten GRAVITY-Instrument am ESO VLTI hat ein Team von Astronomen unter Leitung des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik die Masse eines Schwarzen Lochs in einer Galaxie nur 2 Milliarden Jahre nach dem Urknall bestimmt.


Illustration der "GRAVITY+"-Beobachtungen eines Quasars im frühen Universum. Das Hintergrundbild zeigt die Entwicklung des Universums seit dem Urknall, mit dem Quasar J0920 (künstlerische Darstellung), dessen Licht 11 Milliarden Jahre unterwegs war. Bildnachweis: T. Shimizu; Hintergrundbild: NASA/WMAP; Quasar-Abbildung: ESO/M. Kornmesser; Teleskope: ESO/G. Hüdepohl.

Mit 300 Millionen Sonnenmassen ist das Schwarze Loch im Vergleich zur Masse seiner Wirtsgalaxie sogar eher klein. Dies deutet darauf hin, dass zumindest bei einigen Systemen das Wachstum des Schwarzen Lochs gegenüber dem der Galaxie verzögert sein könnte.

Im nahen Universum beobachten Astronomen eine enge Beziehung zwischen den Eigenschaften von Galaxien und der Masse der supermassereichen schwarzen Löcher in ihren Zentren. Dies deutet darauf hin, dass sich Galaxien und schwarze Löcher gemeinsam entwickeln. Ein entscheidender Test wäre es, diese Beziehung zu frühen kosmischen Zeiten zu untersuchen. Allerdings ist es bei diesen weit entfernten Galaxien entweder unmöglich oder extrem schwierig, die Masse des Schwarzen Lochs mit herkömmlichen Methoden direkt zu messen. Obwohl diese Galaxien oft sehr hell leuchten (als sie in den 1950er Jahren entdeckt wurden, nannte man sie "Quasare" oder „quasi-stellare Objekte“), sind sie so weit entfernt, dass sie mit den meisten Teleskopen nicht aufgelöst werden können.

„2018 haben wir mit GRAVITY die ersten bahnbrechenden Messungen der Masse eines schwarzen Lochs in einem Quasar durchgeführt“, sagt Taro Shimizu, wissenschaftlicher Mitarbeiter am MPE und Hauptautor der neuen, jetzt in Nature veröffentlichten Studie. „Dieser Quasar war jedoch sehr nahe. Jetzt sind wir bis zu einer Rotverschiebung von 2,3 vorgedrungen, das heißt, das Licht dieser Galaxie war 11 Milliarden Jahre zu uns unterwegs.“ GRAVITY+ eröffnet damit einen neuen und präzisen Weg, das Wachstum von Schwarzen Löchern in dieser kritischen Epoche zu untersuchen, in der sowohl Schwarze Löcher als auch Galaxien schnell wuchsen.

„Dies ist in der Tat die nächste Revolution in der Astronomie - wir können jetzt Bilder von Schwarzen Löchern im frühen Universum erhalten, die 40-mal schärfer sind als die des James-Webb-Teleskops“, betont Frank Eisenhauer, MPE-Direktor und Leiter der Gruppe, die das GRAVITY-Instrument und seine Verbesserung GRAVITY+ entwickelt.

GRAVITY kombiniert alle vier 8-Meter-Teleskope des Very Large Telescope der ESO interferometrisch und schafft so quasi ein riesiges virtuelles Teleskop mit einem Durchmesser von 130 Metern. Mit den jüngsten Updates, bei denen ein neuer Weitwinkelmodus für das Fringe-Tracking abseits der Bildmitte zum Einsatz kam, konnte GRAVITY-Wide nun die zentrale Region der Galaxie SDSS J092034.17+065718.0 beobachten, einen der leuchtkräftigsten Quasare im frühen Universum.

Das Team war in der Lage, die so genannte „Broad Line Region“ räumlich aufzulösen und die Bewegung der Gaswolken um das zentrale Schwarze Loch zu beobachten, während sie in einer dicken Scheibe rotieren. Dies ermöglicht eine direkte, dynamische Messung der Masse des Schwarzen Lochs. Mit 320 Millionen Sonnenmassen erweist sich diese Masse des Schwarzen Lochs im Vergleich zu seiner Wirtsgalaxie mit etwa 60 Milliarden Sonnenmassen als gering. Dies deutet darauf hin, dass die Wirtsgalaxie schneller gewachsen ist als das supermassereiche Schwarze Loch in ihrem Zentrum. Dies könnte darauf hindeuten, dass bei einigen Systemen das Wachstum des Schwarzen Lochs im Vergleich zur Galaxie verzögert erfolgt.

„Das wahrscheinliche Szenario für die Entwicklung dieser Galaxie ist eine starke Supernova-Rückkopplung, bei der diese Sternexplosionen Gas aus den zentralen Regionen entfernen, bevor es das Schwarze Loch im galaktischen Zentrum erreichen kann“, sagt Jinyi Shangguan, ebenfalls in der IR-Gruppe am MPE. „Erst wenn die Galaxie genug an Masse gewonnen hat, um in der Zentralregion auch gegen die Supernova-Rückkopplungen ein Gasreservoir zu erhalten, kann das Schwarze Loch anfangen, schnell zu wachsen und mit dem Wachstum der Galaxie insgesamt gleichzuziehen.“ Um festzustellen, ob dieses Szenario auch für andere Galaxien und ihre zentralen Schwarzen Löcher der dominante Modus der gemeinsamen Entwicklung ist, wird das Team weitere hochpräzise Massenmessungen von Schwarzen Löchern im frühen Universum durchführen. Seien Sie gespannt auf weitere Quasarbeobachtungen mit GRAVITY+!

 

Weitere Informationen und Quelle unter: https://www.mpe.mpg.de/7990558/news20240129