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Der Quasar mit dem Namen J0313-1806 wird so gesehen, wie er war, als das Universum erst 670 Millionen Jahre alt war, und liefert Astronomen wertvolle Erkenntnisse darüber, wie massereiche Galaxien – und die supermassiven Schwarzen Löcher in ihren Kernen – im frühen Universum entstanden sind. Die Wissenschaftler präsentierten ihre Ergebnisse auf der Tagung der American Astronomical Society, die jetzt virtuell stattfindet, und in einem Artikel, der in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde.
Die neue Entdeckung schlägt den bisherigen Entfernungsrekord für einen Quasar, der vor drei Jahren aufgestellt wurde. Beobachtungen mit dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) in Chile bestätigten die Abstandsmessung mit hoher Präzision.
Quasare entstehen, wenn die starke Schwerkraft eines supermassiven Schwarzen Lochs im Kern einer Galaxie umgebendes Material anzieht, das eine umlaufende Scheibe aus überhitztem Material um das Schwarze Loch bildet. Der Prozess setzt enorme Mengen an Energie frei, wodurch der Quasar extrem hell wird und oft den Rest der Galaxie überstrahlt.
Das Schwarze Loch im Kern von J0313-1806 ist doppelt so massiv wie das des vorherigen Rekordhalters und diese Tatsache liefert Astronomen einen wertvollen Hinweis auf solche Schwarzen Löcher und ihre Auswirkungen auf ihre Wirtsgalaxien.
„Dies ist der früheste Beweis dafür, wie ein supermassives Schwarzes Loch die Galaxie um es herum beeinflusst“, sagte Feige Wang, Hubble-Fellow am Steward Observatory der Universität von Arizona und Leiter des Forschungsteams. „Aus Beobachtungen weniger entfernter Galaxien wissen wir, dass dies geschehen muss, aber wir haben es noch nie so früh im Universum gesehen.“
Die enorme Masse des Schwarzen Lochs von J0313-1806 zu einem so frühen Zeitpunkt in der Geschichte des Universums schließt zwei theoretische Modelle für die Entstehung solcher Objekte aus, sagten die Astronomen. Im ersten dieser Modelle explodieren einzelne massereiche Sterne als Supernovae und kollabieren zu Schwarzen Löchern, die dann zu größeren Schwarzen Löchern verschmelzen. Im zweiten Fall kollabieren dichte Sternhaufen zu einem massiven Schwarzen Loch. In beiden Fällen dauert der Prozess jedoch zu lange, um ein Schwarzes Loch zu erzeugen, das in dem Alter, in dem wir es sehen, so massiv ist wie das in J0313-1806.
“ Dies sagt Ihnen, dass sich der Keim dieses Schwarzen Lochs, egal was Sie tun, durch einen anderen Mechanismus gebildet haben muss „, sagte Xiaohui Fan, ebenfalls von der University of Arizona. „In diesem Fall handelt es sich um einen Mechanismus, bei dem riesige Mengen an ursprünglichem, kaltem Wasserstoffgas direkt in ein schwarzes Loch kollabieren.“
Die ALMA-Beobachtungen von J0313-1806 lieferten verlockende Details über die Quasar-Wirtsgalaxie, die neue Sterne mit einer Rate bildet, die 200 mal so hoch ist wie die unserer Milchstraße. „Dies ist eine relativ hohe Sternentstehungsrate in Galaxien ähnlichen Alters und deutet darauf hin, dass die Quasar-Wirtsgalaxie sehr schnell wächst“, sagte Jinyi Yang, der zweite Autor des Berichts, der Peter A. Strittmatter Fellow an der University of Arizona ist.
Die Helligkeit des Quasars zeigt an, dass das Schwarze Loch jedes Jahr das Äquivalent von 25 Sonnen verschluckt. Die Energie, die durch diese schnelle Einspeisung freigesetzt wird, so die Astronomen, treibt wahrscheinlich einen starken Abfluss von ionisiertem Gas an, das sich mit etwa 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit bewegt.
Es wird angenommen, dass solche Abflüsse letztendlich die Sternentstehung in der Galaxie stoppen.
„Wir glauben, dass diese supermassiven Schwarzen Löcher der Grund dafür waren, dass viele der großen Galaxien irgendwann aufgehört haben, Sterne zu bilden“, sagte Fan. „Wir beobachten dieses’Abschrecken’zu späteren Zeiten, aber bis jetzt wussten wir nicht, wie früh dieser Prozess in der Geschichte des Universums begann. Dieser Quasar ist der früheste Beweis dafür, dass das Abschrecken zu sehr frühen Zeiten stattgefunden haben könnte.“
Dieser Prozess wird auch dem Schwarzen Loch nichts mehr zu essen geben und sein Wachstum stoppen“, betonte Fan.
Zusätzlich zu ALMA verwendeten die Astronomen das 6,5-Meter-Magellan-Baade-Teleskop, das Gemini North-Teleskop und das W.M. Keck-Observatorium in Hawaii und das Gemini South-Teleskop in Chile.
Die Astronomen planen, J0313-1806 und andere Quasare mit Boden- und Weltraumteleskopen weiter zu untersuchen.
Das National Radio Astronomy Observatory ist eine Einrichtung der National Science Foundation, die im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung von Associated Universities, Inc. betrieben wird.