Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops haben Astronomen den dramatischen „Tanz“ zwischen einem supermassiven Schwarzen Loch und zwei Satellitengalaxien beobachtet. Diese Beobachtungen könnten Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie Galaxien und supermassereiche Schwarze Löcher im frühen Universum entstanden.
Dieses supermassive Schwarze Loch ernährt sich von der Materie um es herum und liefert einen hellen Quasar, der so weit entfernt ist, dass das James-Webb-Teleskop ihn so sieht, wie er weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall war. Der Quasar mit der Bezeichnung PJ308-21 befindet sich in einem aktiven galaktischen Kern (AGN) in einer Galaxie, die gerade mit zwei massereichen Satellitengalaxien verschmelzt.
Das Team stellte nicht nur fest, dass das Schwarze Loch eine Masse hat, die zwei Milliarden Sonnen entspricht, sondern fand auch heraus, dass sowohl der Quasar als auch die an dieser Verschmelzung beteiligten Galaxien hochentwickelt sind – eine Überraschung, wenn man bedenkt, dass sie bereits existierten, als die 13,8 Jahre alte Galaxie existierte. Das alte Universum war noch ein Kleinkind.
Die Verschmelzung dieser drei Galaxien wird dem supermassereichen Schwarzen Loch wahrscheinlich riesige Mengen an Gas und Staub befördern, was sein Wachstum erleichtert und es ihm ermöglicht, weiterhin PJ308-21 anzutreiben.
Verwandt: Das James-Webb-Weltraumteleskop entdeckt ein „extrem rotes“ supermassereiches Schwarzes Loch, das im frühen Universum wächst
„Unsere Studie zeigt, dass sich beide Schwarzen Löcher in Zentren mit hoher Rotverschiebung befinden [early and distant] „Quasare und die Galaxien, die sie beherbergen, erfahren bereits in den ersten Milliarden Jahren der Geschichte des Universums ein sehr effizientes und turbulentes Wachstum, unterstützt durch die reichhaltige galaktische Umgebung, in der sich diese Quellen bilden“, sagt Teamleiter Roberto DeCarli, Forscher am italienischen Nationalinstitut der Astrophysik (INAF). Das sagte er in einer Erklärung.
Die Daten wurden im September 2022 vom Nahinfrarotspektrometer (NIRSpec) des JWST im Rahmen des Programms 1554 gesammelt, das darauf abzielt, die Verschmelzung zwischen der Galaxie, in der sich PJ308-21 befindet, und zwei ihrer Mondgalaxien zu überwachen.
DeCarli fügte hinzu, dass die Arbeit eine echte „emotionale Reise“ für das Team darstellte, das innovative Lösungen entwickelte, um anfängliche Schwierigkeiten bei der Datenreduktion zu überwinden und Bilder mit weniger als 1 % Unsicherheit pro Pixel zu produzieren.
Quasare entstehen, wenn riesige Mengen an Gas und Staub supermassereiche Schwarze Löcher umgeben, die Millionen oder Milliarden Mal so groß sind wie die Masse der Sonne, die im Herzen von Galaxien liegen. Dieses Material bildet eine flache Wolke, eine sogenannte Akkretionsscheibe, die das Schwarze Loch umkreist und es nach und nach speist.
Die enormen Gravitationskräfte des Schwarzen Lochs erzeugen in dieser Akkretionsscheibe starke Gezeitenkräfte, die die Temperatur des Gases und Staubs auf 120.000 Grad Fahrenheit (67.000 Grad Celsius) erhöhen. Dadurch wird Licht von der Akkretionsscheibe im gesamten elektromagnetischen Spektrum emittiert. Diese Emission ist oft heller als das kombinierte Licht jedes Sterns in der umgebenden Galaxie, was Quasare wie PJ308-21 zu den hellsten Objekten im Universum macht.
Während Schwarze Löcher keine Eigenschaften haben, die zur Bestimmung ihrer Entwicklung herangezogen werden können, verfügen ihre Akkretionsscheiben (und damit Quasare) über Eigenschaften, die zur Bestimmung ihrer Entwicklung herangezogen werden können. Tatsächlich kann das Alter von Galaxien auf die gleiche Weise „geschätzt“ werden.
Das frühe Universum war voller Wasserstoff, dem leichtesten und einfachsten Element, und einer kleinen Menge Helium. Dies bildete die Grundlage für die ersten Sterne und Galaxien, aber während des Lebens dieser Sternkörper bildeten sie Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium waren und die Astronomen „Metalle“ nennen.
Als diese Sterne ihr Leben in gewaltigen Supernova-Explosionen beendeten, breiteten sich diese Metalle in ihren Galaxien aus und wurden zu Bausteinen für die nächste Generation von Sternen. Dieser Prozess hat dazu geführt, dass Sterne und durch sie Galaxien zunehmend „metallreicher“ werden.
Das Team stellte fest, dass der aktive Kern von PJ308-21 wie die meisten aktiven galaktischen Kerne reich an Metallen ist und dass das ihn umgebende Gas und Staub einen Prozess der „Photoionisierung“ durchläuft. Dabei handelt es sich um den Prozess, bei dem Lichtteilchen, sogenannte Photonen, die Energie liefern, die Elektronen benötigen, um aus Atomen zu entkommen, wodurch elektrisch geladene Ionen entstehen.
Eine der Galaxien, die mit der Wirtsgalaxie PJ308-21 verschmelzen, ist ebenfalls metallreich und ihre Materie wird teilweise auch durch elektromagnetische Strahlung des Quasars photoionisiert.
Photoionisierung findet auch in der zweiten Mondgalaxie statt, wird aber in diesem Fall durch eine schnelle Sternentstehung verursacht. Diese zweite Galaxie unterscheidet sich auch von der ersten Galaxie und der aktiven Galaxie darin, dass sie metallarm zu sein scheint.
„Dank NIRSpec können wir zum ersten Mal den optischen Bereich untersuchen, der reich an wertvollen diagnostischen Daten über die Eigenschaften des Gases in der Nähe des Schwarzen Lochs in der Galaxie, in der sich der Quasar befindet, und in umliegenden Galaxien“, sagte Teammitglied und Astrophysiker bei das Nationale Institut für Astrophysik Federica Loiacono. „Wir können zum Beispiel die Emission von Wasserstoffatomen beobachten und sie mit der Emission chemischer Elemente vergleichen, die von Sternen erzeugt werden, um zu bestimmen, wie metallreich das Gas ist.“
Obwohl das Licht dieses Quasars aus dem frühen Universum in einem weiten Bereich des elektromagnetischen Spektrums auftritt, einschließlich optischem Licht und Röntgenstrahlung, ist die einzige Möglichkeit, es zu beobachten, das Infrarotlicht.
Dies liegt daran, dass die Wellenlängen des Lichts, das mehr als 12 Milliarden Jahre zurückgelegt hat, um das James-Webb-Teleskop zu erreichen, dramatisch „gedehnt“ wurden. Dadurch wird das Licht in Richtung des „roten Endes“ des elektromagnetischen Spektrums „verschoben“, ein Phänomen, das Astronomen „Rotverschiebung“ nennen und durch den Buchstaben „z“ symbolisiert werden.
Das James-Webb-Teleskop verfügt aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber Infrarotlicht über eine außergewöhnliche Fähigkeit, Objekte und Ereignisse mit „hoher Rotverschiebung“ oder „hoher Rotverschiebung“ wie PJ308-21 zu sehen.
Loiacono schloss mit den Worten: „Dank der Empfindlichkeit des James-Webb-Teleskops im nahen und mittleren Infrarot ist es möglich, das Spektrum von Quasaren und Begleitgalaxien im fernen Universum mit beispielloser Präzision zu untersuchen.“ durch die hervorragende „Sicht“, die das James Webb Telescope bietet.
Die Forschung des Teams wurde zur Veröffentlichung im Juni 2024 in der Zeitschrift angenommen Astronomie und Astrophysik.
„Pop-Kulturaholic. Web-Nerd. Engagierter Social-Media-Praktiker. Reisefanatiker. Schöpfer. Food-Guru.“
More Stories
Wann starten die Astronauten?
Fossilien zufolge wurde eine prähistorische Seekuh von einem Krokodil und einem Hai gefressen
Die Federal Aviation Administration fordert eine Untersuchung des Misserfolgs bei der Landung der Falcon-9-Rakete von SpaceX