Die schrecklichen Zwei: die Entdeckung eines schwarzen Lochs für Kleinkinder im Babyuniversum

von Sahil Hegde | 6. Juli 2023 | Tägliche Zeitungszusammenfassungen | 0 Kommentare

Titel:Ein kleines und kräftiges Schwarzes Loch im frühen Universum

Autoren:Roberto Maiolino, Jan Scholtz, Joris Witstok, et al.

Institution des Erstautors: Kavli-Institut für Kosmologie, Universität Cambridge, Cambridge, Großbritannien; Cavendish Laboratory – Astrophysics Group, University of Cambridge, Cambridge, Großbritannien; Abteilung für Physik und Astronomie, University College London, London, Großbritannien

Status:eingereicht

Da wir uns dem einjährigen Jubiläum der Veröffentlichung der ersten Bilder von JWST nähern, ist es der perfekte Zeitpunkt, auf einige seiner großen Entdeckungen zurückzublicken. Das JWST beobachtete im Infrarotbereich und war teilweise darauf ausgelegt, die Entstehung und Entwicklung der ersten Galaxien im Universum zu untersuchen. In dieser Hinsicht hat es die Erwartungen übertroffen, Rekorde für die galaktische Entfernung gebrochen und unsere Modelle für die Struktur und Demografie früher Galaxien in Frage gestellt. Ein perfektes Beispiel dafür, wie leistungsstark JWST ist, sind die neuen Informationen, die wir vom alten Rekordhalter (vor JWST) für die am weitesten entfernte Galaxie mit dem einprägsamen Namen GN-z11 erhalten können.

Seit GN-z11 im Jahr 2016 zum ersten Mal fotometrisch als Kandidat für eine Galaxie mit hoher Rotverschiebung identifiziert wurde, sorgte es für große Aufregung, vor allem weil es uns den klarsten Einblick in die Natur der Galaxien im entstehenden Universum bot. GN-z11 war nicht nur die Galaxie mit der höchsten Rotverschiebung, die bis zu diesem Zeitpunkt jemals entdeckt wurde (mit einer Rotverschiebung von ~11, was sie nur etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall platziert), sondern sie ist auch für ihr Alter außergewöhnlich hell. Und nein, ich meine nicht, dass es im Kindergarten Lesen auf High-School-Niveau war. Das heißt, sie ist dreimal so hell wie eine typische Galaxie bei z~6-8, als das Universum bereits fast eine Milliarde Jahre alt war und man erwartet, dass Galaxien viel größer sind. GN-z11 wurde bereits ausführlich in anderen Bissen diskutiert (wie diesen beiden zu seiner spektroskopischen Bestätigung und Herkunft), die auf Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und anderen bodengestützten Studien beruhten.

Aufgrund dieses Interesses war GN-z11 ein natürliches Beobachtungsziel für einige der ersten wissenschaftlichen Programme des JWST. Der heutige Artikel befasst sich mit diesen Beobachtungen und präsentiert Beweise, die die bemerkenswerte Leuchtkraft dieser Galaxie erklären: Vielleicht versteckt sich etwas in der Galaxie und lässt sie so hell leuchten!

So erkennen Sie ein High-z-AGN

Selbst bei den Beobachtungen, die vor dem Start von JWST durchgeführt wurden, wurde GN-z11 als bemerkenswert leuchtende Galaxie identifiziert. Unter der Annahme, dass das gesamte Licht Sternenlicht ist, würden wir schätzen, dass die Masse der Sterne in der Galaxie etwa einer Milliarde Sonnen entspricht – etwa einen Faktor zehn kleiner als die Sternmasse der Milchstraße – was sie angesichts ihres Alters auch außergewöhnlich massereich macht. Eine mögliche Erklärung für seine auffällige Leuchtkraft ist jedoch, dass ein großer Teil des Lichts von einem aktiv akkretierenden supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxie (einem sogenannten aktiven galaktischen Kern oder AGN) erzeugt wird. Das Vorhandensein eines Objekts mit großer Leuchtkraft wie einem AGN würde erheblich dazu beitragen, die Spannungen, die mit der Entdeckung von GN-z11 und anderen ähnlich „über“ leuchtenden Galaxien im frühen Universum verbunden sind, zu entspannen. Obwohl dies eine potenziell überzeugende Idee ist, erfordert die endgültige Beantwortung dieser Frage die präzise Erkennung von Emissionslinien im Spektrum der Galaxie – das perfekte Testfeld für die hochauflösenden Instrumente des JWST!

Tatsächlich verwenden die heutigen Autoren Daten, die mit dem Nahinfrarot-Spektrographen (NIRSpec) an Bord von JWST gesammelt wurden und den Wellenlängenbereich von 1 bis 5 Mikrometer abdecken. Da das Licht durch die Expansion des Universums gestreckt oder kosmologisch rotverschoben wurde, werden die in diesem Bereich beobachteten Linien tatsächlich im Ultraviolett- oder optischen Bereich von Atomen in der Galaxie emittiert, bevor sie ins Infrarote gestreckt werden. Tatsächlich werden einige der stärksten Linien – diejenigen, die zur Identifizierung der Rotverschiebung der Galaxie verwendet werden – durch Elektronenübergänge in Atomen erzeugt, die im interstellaren Medium der Galaxie (z. B. in einer HII-Region) ionisiert und angeregt wurden. Daher weist die Erkennung verschiedener Emissionslinien auf das Vorhandensein bestimmter Elemente hin und spiegelt den Ionisierungszustand (sprich: Anteil der Atome einer bestimmten Art, die ionisiert wurden) des beobachteten Gases wider.

Es stellt sich heraus, dass der Ionisationszustand ein aussagekräftiger Hinweis auf das Vorhandensein eines AGN im Zentrum der Galaxie sein kann. Eine detaillierte Modellierung des von einem AGN erzeugten Ionisierungsspektrums liefert Vorhersagen darüber, welche Emissionslinien wir sehen sollten und welche Stärken sie haben. Beispielsweise identifizieren die heutigen Autoren ein Paar eng beieinander liegender Linien (ein sogenanntes Dublett), das mit dreifach ionisiertem Neon im Spektrum von GN-z11 assoziiert ist (siehe Abbildung 1). Ionisierendes Neon erfordert sehr energiereiche Photonen, die vernünftigerweise nur von einem AGN hätten erzeugt werden können!

Die Messung der Form dieser Emissionslinien kann auch Aufschluss über die Natur der Ionisierungsquelle in der Galaxie geben. Die starke Gravitationskraft und der Strahlungsdruck des zentralen massereichen Schwarzen Lochs können eine schnelle Bewegung des ein AGN umgebenden Gases bewirken. Infolgedessen werden die Emissionslinien einzelner Komponenten der Wolke entsprechend der Geschwindigkeit ihrer Bewegung dopplerverschoben. Wenn wir die Galaxie als Ganzes betrachten und die Beiträge der Doppler-Verschiebungen insgesamt betrachten, sehen wir, dass einige Komponenten rotverschoben und andere blauverschoben sind, was zu einer allgemeinen Verbreiterung des Linienprofils führt. Um dies zu testen, passten die Autoren ein Gaußsches Profil an die Form ihrer entdeckten Linien an und missten die Geschwindigkeit des Gases, die durch die Breite der Linien gegeben wird. Dabei fanden sie für viele der Hochgeschwindigkeitslinien Geschwindigkeiten von etwa 400 km/s. Ionisationsemissionslinien (Abbildung 1). Diese Geschwindigkeiten sind zwar kleiner als die charakteristischen Geschwindigkeiten, die in Breitlinienregionen mit geringerer Rotverschiebung beobachtet werden (die oft in der Größenordnung von 1000 km/s liegen), solche Geschwindigkeiten werden jedoch von AGN-Modellen zugelassen und weisen lediglich darauf hin, dass das Schwarze Loch kleiner (weniger massereich) ist. als die, die wir vor Ort beobachten, daher handelt es sich wahrscheinlich um eine Kleinkind-AGN.

Baby-Schwarze Löcher bauen

Angesichts der überzeugenden Identifizierung verschiedener Beweise dafür, dass GN-z11 ein junges Schwarzes Loch beherbergt, das etwa eine Million Mal so groß ist wie unsere Sonne, liegt die Frage nahe, woher dieses Schwarze Loch stammt. Die Herkunft der ersten supermassiven Schwarzen Löcher bleibt eine offene Frage, daher kann die Beobachtung von Schwarzen Löchern bei hohen Rotverschiebungen dazu beitragen, ihre Entstehung im Laufe der kosmischen Zeit zu bestimmen. Um dieses Problem anzugehen, berechnen die heutigen Autoren Wachstumsverläufe, die ihre gemessene Masse eines Schwarzen Lochs über zwei Regime hinweg erzeugen können (Abbildung 2). Wenn das kleine Schwarze Loch durch Akkretion an der Eddington-Grenze wächst (eine theoretische maximale Akkretionsrate, bevor der Strahlungsdruck jedes weitere Wachstum unterdrücken würde), dann begann es wahrscheinlich als sogenannter schwerer Samen, bei dem es sich zum ersten Mal etwa tausendmal bildete die Masse unserer Sonne. Wenn sich das Schwarze Loch andererseits aus dem Kollaps eines massereichen Sterns mit etwa der 10- bis 100-fachen Masse unserer Sonne gebildet hat, muss es sich über die Eddington-Grenze hinaus angesammelt haben (Super-Eddington-Akkretion), um seine heutige Masse zu erreichen.

Schließlich fragen sie, was dieses Schwarze Loch tun könnte, wenn es erwachsen wird. Durch die zeitliche Rückverfolgung der Wachstumsgeschichten stellen sie fest, dass die Eddington-begrenzte Akkretion aus einem schweren Samen sowohl die beobachtete Masse des Schwarzen Lochs von GN-z11 als auch die beobachtete Population massiver Schwarzer Löcher bei niedrigerer Rotverschiebung vorhersagen kann, während der andere Kanal dies nicht kann. Im Gegenzug stellen sie fest, dass das Schwarze Loch offenbar nicht den Beziehungen zwischen dem zentralen Schwarzen Loch und der Sternmasse der Galaxie bei niedriger Rotverschiebung zu folgen scheint, was darauf hindeutet, dass solche Beziehungen bei hoher Rotverschiebung möglicherweise überarbeitet werden müssen.

Insgesamt zeigt eine solche Entdeckung das Potenzial des JWST, uns eine aufregende neue Linse für die Rolle von AGN bei der frühen Galaxienentstehung und für die Eigenschaften von Schwarzen Löchern bei hoher Rotverschiebung zu liefern. Auch wenn GN-z11 nicht mehr die Galaxie mit der höchsten Rotverschiebung ist, die wir je entdeckt haben (danke JWST), versorgt uns GN-z11 weiterhin mit mehr Wissenschaft und Spannung und wird uns in den kommenden Jahren sicherlich noch mehr beibringen, also bleiben Sie dran!

Astrobite herausgegeben von Storm Colloms

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