Uralte Schwarze Löcher haben ein Geheimnis am Rande von Zeit und Raum enthüllt

Eine überraschende Entdeckung im frühen Universum hat große Konsequenzen für die Entwicklung von Schwarzen Löchern und Galaxien.
Kunst, die einen Quasar darstellt. Bild: NASA, ESA und J. Olmsted (STScI)
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ABSTRACT bricht verblüffende wissenschaftliche Forschung, Zukunftstechnologien, neue Entdeckungen und große Durchbrüche auf.

Wissenschaftler haben ein langjähriges Rätsel über uralte supermassereiche Schwarze Löcher und die Galaxien, die sie bewohnen, ans Licht gebracht, indem sie auf unglaublich leuchtende Objekte geblickt haben, die im frühen Universum existierten, nur 500 Millionen bis eine Milliarde Jahre nach dem Urknall, berichtet eine neue Studie.

Schwarze Löcher sind verblüffende Regionen des Kosmos, die auf so kleinem Raum so viel Masse enthalten, dass nichts, nicht einmal Licht, ihrer Gravitationskraft entkommen kann. Obwohl es unbeantwortete Fragen zu Schwarzen Löchern aller Größen und Altersgruppen gibt, sind die supermassiven Schwarzen Löcher, die das frühe Universum bewohnten, besonders unergründlich.

Es ist zum Beispiel unklar, wie diese Monsterobjekte so früh in der Zeitachse des Universums so gigantisch wurden – mit einigen erreichten Massen, die das Milliardenfache der Sonne betragen. Darüber hinaus rätseln Wissenschaftler seit langem darüber, was diese frühen Wachstumsschübe verlangsamt und supermassereiche Schwarze Löcher zu einer symbiotischeren Entwicklung mit ihren Wirtsgalaxien geführt hat.

Jetzt haben Wissenschaftler unter der Leitung von Manuela Bischetti, einer Postdoktorandin am italienischen Nationalen Institut für Astrophysik am Astronomischen Observatorium von Triest, die unerwartete Entdeckung gemacht, dass extrem starke Winde von frühen supermassereichen Schwarzen Löchern wahrscheinlich ihr Wachstum verlangsamt haben. Bischetti und ihre Kollegen beobachteten 30 Quasare, extrem leuchtende Objekte, die oft im Zentrum alter Galaxien zu finden sind, und identifizierten diese Winde als Anfangsstadium der „Rückkopplung schwarzer Löcher“, eines Prozesses, der für die Entwicklung moderner Galaxien, einschließlich unserer eigenen, von zentraler Bedeutung ist Milchstraße, gem eine am Mittwoch veröffentlichte Studie in Natur.

„Dieses Ergebnis unterstreicht zum ersten Mal, dass die Rückkopplung von Schwarzen Löchern eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der frühen Wachstumsphasen sowohl von Schwarzen Löchern als auch von Galaxien spielt und dass sich die Stärke der Rückkopplung von Schwarzen Löchern mit der Zeit entwickeln kann“, sagte Bischetti in einer E-Mail. „Dies liefert wichtige Einschränkungen für theoretische Modelle der Galaxienentwicklung.“

Supermassereiche Schwarze Löcher existieren im Zentrum der meisten Galaxien; Beispielsweise enthält die Milchstraße ein Objekt, das etwa vier Millionen Mal so massereich ist wie die Sonne. Wissenschaftler haben eine seltsam spezifische Korrelation zwischen der Masse von Schwarzen Löchern und ihren Wirtsgalaxien im sogenannten „Low-Redshift“-Universum gefunden, was eine andere Art ist, das moderne Universum zu beschreiben, in dem wir leben, in dem Lichtwellen nicht so ausgedehnt sind rote Wellenlängen als älteres Licht aus dem frühen Universum mit „hoher Rotverschiebung“. Galaxien mit geringer Rotverschiebung sind in der Regel etwa 100-mal massereicher als ihre zentralen Schwarzen Löcher, ein Verhältnis, das so konsistent ist, dass es auf einen symbiotischen Wachstumsprozess zwischen den Schwarzen Löchern und ihren Galaxien hindeutet, bei dem die Strukturen die Entwicklung der anderen stabilisieren.

Wie Bischetti erklärte, „gilt dies jedoch nicht für das Universum mit hoher Rotverschiebung und für die Quasare in unserer Studie, für die wir beobachten, dass die Schwarzen Löcher im Vergleich zu ihren Wirtsgalaxien übermassiv (zehnmal so massereich) sind.“

„Dies impliziert, dass Schwarze Löcher in den ersten Milliarden Jahren des Universums schneller gewachsen sein müssen als ihre Wirtsgalaxien“, fügte sie hinzu.

Bischetti und ihre Kollegen konnten diese brillanten Quasare mit „einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis“ untersuchen, indem sie 250 Stunden Beobachtungen mit dem „X-Shooter“-Spektrographen am Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte in Chile aufzeichneten, so die lernen. Das Team hoffte, dass der X-Shooter einen detaillierteren Einblick in die Winde oder Ausflüsse geben würde, die von diesen frühen supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden, die durch frühe Galaxien reißen und ihre Entwicklung beeinflussen.

„Diese Forschung wurde durch die Tatsache motiviert, dass, obwohl Astronomen erwarten, dass Schwarze Löcher die Entwicklung von Galaxien stark beeinflussen, als das Universum etwa eine Milliarde Jahre alt war, es nur sehr wenige Beobachtungen mit ausreichender Qualität gibt, um dies entweder zu unterstützen oder abzulehnen“, sagte Bischetti .

Zu ihrem Erstaunen entdeckten die Forscher, dass die Winde von Schwarzen Löchern im frühen Universum extrem häufig und etwa 20-mal stärker waren als im modernen Universum. Einige Ausflüsse in ihren Beobachtungen schossen mit 17 Prozent Lichtgeschwindigkeit ins All, ein Prozess, der Energie in ihre Wirtsgalaxien umverteilt und wahrscheinlich das frühe Wachstum Schwarzer Löcher bremste und möglicherweise die stabilen Rückkopplungen auslöste, die wir heute in Galaxien sehen.

„Wir hatten erwartet, herauszufinden, dass die Winde von Schwarzen Löchern im jungen Universum ähnlich funktionieren wie wir es in späteren Epochen in dem uns näher liegenden Universum beobachten“, fügte sie hinzu. „Stattdessen waren wir sehr überrascht und begeistert von den vielen sehr energiereichen Winden, die wir entdeckt haben, da dies auf eine starke Entwicklung der Rückkopplung von Schwarzen Löchern im Laufe der Zeit hindeutet.“

Während die Studie einen überzeugenden Blick auf diesen wichtigen Übergang in der Beziehung zwischen Galaxien und ihren zentralen Schwarzen Löchern bietet, sagte Bischetti, dass es weiterer Beobachtungen bedürfe, um weitere Details über diesen Tanz zwischen kosmischen Riesen am Rande von Raum und Zeit zu enträtseln.

Letztendlich hoffen die Forscher, Teleskope der nächsten Generation zu verwenden, darunter das kürzlich gestartete James Webb Space Telescope und das bevorstehende Extremely Large Telescope in Chile, um den Einfluss der Winde der Schwarzen Löcher auf frühe Galaxien und ihre Sterne zu untersuchen.

„Wir möchten diese Studie nun weiterverfolgen, indem wir verstehen, ob und wie die beobachteten Ausflüsse von Schwarzen Löchern das Wachstum der Wirtsgalaxie beeinflussen“, sagte Bischetti und fügte hinzu, dass aktuelle Teleskope nur „die hellste Spitze des Eisbergs der Population von Quasare bei diesen sehr hohen Rotverschiebungen.“

„Wir erwarten, dass intrinsisch schwächere Objekte in Bezug auf die Ausflüsse andere Eigenschaften in Bezug auf die XQR-30-Probe zeigen werden“ – in Bezug auf die 30 Quasare, die in dieser Studie beobachtet wurden – „aber im Moment ist es äußerst schwierig, diese Hypothese zu testen.“ schloss sie.

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