Enthüllung des Ursprungs supermassereicher Schwarzer Löcher

Schwarze Löcher mit außergewöhnlich großen Massen – mehr als eine Million Mal so groß wie die Masse der Sonne, sogenannte supermassive Schwarze Löcher (SMBHs) – kommen heute im Universum häufig vor. Allerdings bleiben seine Ursprünge sowie die Einzelheiten darüber, wann, wo und wie es im Laufe der 13,8 Milliarden Jahre kosmischen Entwicklung auftauchte, rätselhaft.

Forschungen der letzten Jahrzehnte deuten darauf hin, dass sich im Kern jeder Galaxie kleine, extrem massereiche Galaxien befinden und dass ihre Masse immer ein Tausendstel der Masse ihrer Muttergalaxie beträgt.

Diese enge Beziehung weist darauf hin, dass sich Galaxien und ultramassereiche Galaxien gemeinsam entwickelt haben. Daher ist die Aufklärung des Ursprungs massereicher Sterne nicht nur für das Verständnis der massereichen Planeten selbst von entscheidender Bedeutung, sondern auch für die Aufklärung der Entstehungsprozesse von Galaxien, Schlüsselkomponenten des beobachtbaren Universums.

Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt im Anfang des Universums, da seit der Entstehung des Universums Zeit vergangen ist die große Explosion (d. h. der Beginn des Universums) liegt weniger als eine Milliarde Jahre zurück. Dank der endlichen Lichtgeschwindigkeit können wir durch die Beobachtung des fernen Universums in die Vergangenheit blicken. Gab es kleine und mittelgroße Objekte wirklich, als das Universum erst eine Milliarde Jahre oder weniger alt war?

Ein Beispiel für ein Nachthimmelbild, das wir mit dem Subaru-Teleskop aufgenommen haben. Der kleine rote Punkt in der Mitte des vergrößerten Bildes stellt Licht dar, das von einem fernen Quasar stammt, der existierte, als das Universum 800 Millionen Jahre alt (13 Milliarden Lichtjahre) war. Bildnachweis: Nationales Astronomisches Observatorium Japans

Ist es möglich, zu schwarzes Loch In so kurzer Zeit eine so große Masse (mehr als eine Million Sonnenmassen und manchmal sogar Milliarden Sonnenmassen) zu gewinnen? Wenn ja, welche Mechanismen und physikalischen Bedingungen liegen dem zugrunde? Um sich dem Ursprung kleiner und mittelgroßer Objekte zu nähern, muss man sie beobachten und ihre Eigenschaften mit Vorhersagen aus theoretischen Modellen vergleichen. Dazu muss man zunächst feststellen, wo sie sich am Himmel befinden.

Für die Durchführung dieser Studie nutzte das Forschungsteam das Subaru-Teleskop auf dem Gipfel des Mount Maunakea in Hawaii. Einer der größten Vorteile von Subaru ist seine weiträumige Überwachungsfähigkeit, die sich für diesen Zweck besonders gut eignet.

Da ultrafeine Objekte kein Licht aussenden, suchte das Team nach einer besonderen Klasse namens Quasare – kleine ultrafeine Objekte mit hellen Rändern, bei denen fallendes Material Gravitationsenergie freisetzt. Sie beobachteten einen weiten Bereich des Himmels, der dem 5.000-fachen des Vollmonds entspricht, und entdeckten erfolgreich 162 Quasare, die im frühen Universum lebten. Insbesondere existierten 22 dieser Quasare in einer Epoche, als das Universum weniger als 800 Millionen Jahre alt war, der ältesten Periode, in der bisher Quasare identifiziert wurden.

Die große Zahl der entdeckten Quasare ermöglichte es ihnen, ein grundlegendes Maß namens „Leuchtkraftfunktion“ zu bestimmen, das die Raumdichte von Quasaren als Funktion der Strahlungsenergie beschreibt. Sie fanden heraus, dass sich Quasare im frühen Universum sehr schnell bildeten, während die allgemeine Form der Leuchtkraftfunktion (mit Ausnahme der Amplitude) im Laufe der Zeit unverändert blieb.

Die Leuchtkraftfunktion beschreibt die Raumdichte (Φ auf der vertikalen Achse) als Funktion der Strahlungsenergie (M1450 auf der horizontalen Achse). Wir zeichnen die Leuchtkraftfunktionen von Quasaren auf, die beobachtet wurden, als das Universum 0,8 (rote Punkte), 0,9 (grüne Rauten), 1,2 (blaue Quadrate) und 1,5 (schwarze Dreiecke) Milliarden Jahre alt war. Die Kurven stellen die am besten geeigneten Funktionsformen dar. Die Raumdichte von Quasaren ist mit der Zeit stark angestiegen, während die Form der Leuchtkraftfunktion nahezu unverändert geblieben ist. Bildnachweis: The Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023

Dieses unterschiedliche Verhalten der Leuchtkraftfunktion stellt starke Einschränkungen für theoretische Modelle dar, die schließlich alle beobachtbaren Elemente reproduzieren und den Ursprung supermassiver Schwarzer Löcher beschreiben können.

Andererseits war bekannt, dass das Universum in seiner frühen Phase einen großen Übergang namens „kosmische Reionisierung“ durchlaufen hatte. Frühere Beobachtungen deuten darauf hin, dass bei diesem Ereignis der gesamte intergalaktische Raum ionisiert wurde. Die Quelle der Ionisierungsenergie ist immer noch umstritten, wobei die Strahlung von Quasaren ein vielversprechender Kandidat ist.

Durch Einbeziehung der obigen Leuchtkraftfunktion finden wir, dass Quasare 10 emittieren²⁸ Photonen pro Sekunde in Einheitsvolumen 1 Lichtjahr Auf der einen Seite im frühen Universum. Dies stellt weniger als 1 % der Photonen dar, die zu dieser Zeit zur Aufrechterhaltung des ionisierten Zustands des intergalaktischen Raums erforderlich waren, und weist somit darauf hin, dass Quasare nur einen geringen Beitrag zur kosmischen Reionisierung leisteten. Andere Energiequellen werden dringend benötigt, wobei es sich nach anderen neueren Beobachtungen möglicherweise um die eingebaute Strahlung heißer, massereicher Sterne bei der Entstehung von Galaxien handelt.

Referenz: „Quasar-Leuchtkraftfunktion bei z = 7“ von Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, Jun D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikane, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin-Hsiu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Price, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang und Takuji Yamashita, 6. Juni 2023, Die Astrophysikalische Tagebuchbriefe.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f

Die Studie wurde von der Japan Society for the Promotion of Science, der Mitsubishi Foundation und der National Natural Science Foundation of China finanziert.