Schwarzes Loch im Gas-Kokon: JWST könnte Rätsel der ‚Little Red Dots‘ lösen
JWST entdeckt ein rätselhaftes Objekt im frühen Universum. Ein Schwarzes Loch in dichtem Gas könnte die Little Red Dots erklären.
Sterne (links) lassen sich als dichte Gasballen betrachten, die durch Kernfusion in ihrem Zentrum angetrieben werden. Schwarze Löcher (Mitte) wachsen typischerweise, indem sie Materie über eine pfannkuchenartige Akkretionsscheibe aufnehmen. Schwarze-Loch-Sterne (rechts) stellen eine neue Art von Objekten dar – entstehende Schwarze Löcher, die von dichtem Gas umhüllt sind, sodass sie praktisch wie Sterne strahlen. Das akkretierende Schwarze Loch spielt als Energiequelle die Rolle der Kernfusion, und das dichte umgebende Gas wirkt ähnlich wie eine Pseudophotosphäre.
Foto: Jose-Luis Olivares, MIT , Creative Commons BY-NC-ND 4.0
Nur rund 660 Mio. Jahre nach dem Urknall leuchtete im jungen Universum ein Objekt, das sich mit normalen Sternen kaum erklären lässt. Das James-Webb-Weltraumteleskop zeigt einen ungewöhnlich starken Helligkeitssprung im Spektrum, breite Wasserstofflinien und Hinweise auf extrem dichtes Gas. Im Zentrum könnte ein wachsendes Schwarzes Loch stecken.
Die Quelle trägt die Bezeichnung MoM-BH*-1 und wurde im Rahmen des JWST-Programms „Mirage or Miracle“ untersucht. Die Ergebnisse sind im Fachjournal Nature erschienen.
Auf Aufnahmen der JWST-Kamera NIRCam fällt MoM-BH*-1 zunächst nur als kompakter roter Punkt auf. Interessant wird es beim Spektrum, also bei der Zerlegung des Lichts in seine einzelnen Wellenlängen. Dort zeigt sich ein ungewöhnliches Muster: Bei längeren Wellenlängen ist die Quelle sehr hell, bei kürzeren bricht ihre Helligkeit stark ein.
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Der Helligkeitssprung ist ungewöhnlich stark
Die Forschenden sprechen von einem Balmer-Sprung. Gemeint ist ein abrupter Helligkeitswechsel im Spektrum, der durch Wasserstoff verursacht wird.
Solche Strukturen kommen auch in den Atmosphären von Sternen vor. Bei MoM-BH*-1 ist der Effekt jedoch deutlich stärker, als es sich mit einer normalen Sternpopulation erklären lässt.
Zwischen den untersuchten Spektralbereichen fällt der gemessene Lichtstrom um mehr als den Faktor 20 ab. Für die Stärke des Balmer-Sprungs errechnete das Team einen Wert von etwa 7,7. Modelle gewöhnlicher, staubfreier Sternpopulationen bleiben deutlich darunter.
Auch die Wasserstofflinien fallen aus dem Rahmen. Die helle Hβ-Emissionslinie ist stark verbreitert und erreicht eine Linienbreite von rund 3000 km/s. Gleichzeitig zeigen andere Wasserstofflinien schmalere Absorptionsbereiche, in denen Licht fehlt. Diese Kombination spricht für außergewöhnlich dichtes Gas.
Nicht nur Staub macht das Objekt rot
Sehr rote astronomische Objekte werden häufig mit Staub erklärt. Staub schluckt kurzwelliges Licht stärker und lässt eine Quelle dadurch röter erscheinen.
Bei MoM-BH*-1 passt ein stark verstaubtes System jedoch nur schlecht zu den Messdaten. Zudem finden die Forschenden kaum Hinweise auf schwerere Elemente. Das beobachtete Spektrum wird vor allem von Wasserstoff und Helium geprägt.
Das Team prüfte deshalb mit Computermodellen, wie sich Licht verhält, wenn es extrem dichtes Gas durchqueren muss. Dabei zeigte sich: Eine dichte Wasserstoffhülle kann einen großen Teil des ungewöhnlichen Spektrums erklären, ohne dass dafür viel Staub nötig wäre.
Im bevorzugten Modell erreicht das Gas eine Dichte von etwa 100 Milliarden Wasserstoffatomen pro Kubikzentimeter. Für astronomische Verhältnisse ist das extrem viel. Die Rotfärbung könnte deshalb zumindest teilweise dadurch entstehen, dass das Gas selbst bestimmte Wellenlängen stark zurückhält.
Die Forschenden betonen allerdings, dass ihr Modell keine exakte Rekonstruktion des Objekts liefert. Es ist stark vereinfacht und enthält mehrere unsichere Parameter. Entscheidend ist zunächst etwas anderes: Ein Schwarzes Loch in einer sehr dichten Gashülle kann grundsätzlich ein Spektrum erzeugen, das den JWST-Daten erstaunlich nahekommt.
Im Zentrum könnte ein Schwarzes Loch sitzen
Dichtes Gas allein reicht als Erklärung nicht. Die Quelle ist auch ungewöhnlich leuchtkräftig. Im Modell stammt die Energie deshalb von einem Schwarzen Loch, das große Mengen Materie aufnimmt. Das Gas fällt in Richtung des Schwarzen Lochs, wird dabei stark aufgeheizt und setzt enorme Mengen Strahlung frei.
Umgeben wäre das Schwarze Loch von einer dichten Gashülle, die nach außen fast wie eine riesige Sternatmosphäre wirkt. Nach den Modellrechnungen könnte sich diese Hülle über etwa 10 bis 100 Astronomische Einheiten erstrecken. Eine Astronomische Einheit entspricht dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne. Das System hätte damit Dimensionen in der Größenordnung unseres Planetensystems. Im Zentrum säße jedoch kein Stern, sondern ein Schwarzes Loch.
Für dieses Szenario verwenden die Forschenden die Bezeichnung „Black Hole Star“. Der Begriff sollte nicht mit einer bereits bestätigten neuen Objektklasse verwechselt werden. Er beschreibt zunächst ein Modell: ein wachsendes Schwarzes Loch, das weitgehend von einer extrem dichten Gashülle umschlossen ist.
Wie schwer ist das Schwarze Loch?
Die Masse lässt sich unter diesen ungewöhnlichen Bedingungen nur grob bestimmen. Die Nature-Autoren bewegen sich je nach Modell in einer Größenordnung von etwa einer bis zehn Millionen Sonnenmassen. Aus der berechneten Gesamtleuchtkraft ergibt sich unter bestimmten Annahmen ein Wert von rund zwei Millionen Sonnenmassen.
Das Problem: Übliche Verfahren zur Massenbestimmung könnten bei solchen Objekten unzuverlässig sein.Bei aktiven Schwarzen Löchern wird die Masse häufig aus der Breite bestimmter Spektrallinien abgeschätzt. Vereinfacht gilt: Je schneller das Gas um das Schwarze Loch kreist, desto breiter werden diese Linien.
Im extrem dichten Gas um MoM-BH*-1 könnten Lichtteilchen jedoch mehrfach gestreut werden. Ein Teil der beobachteten Linienbreite würde dann nicht durch hohe Gasgeschwindigkeiten entstehen. Falls dieser Effekt tatsächlich eine große Rolle spielt, könnten bisherige Massenabschätzungen für ähnliche Objekte deutlich zu hoch ausfallen – im Extremfall um bis zu zwei Größenordnungen.
Künstlerische Darstellung eines „Black Hole Star“: Ein wachsendes Schwarzes Loch im Zentrum ist von einer extrem dichten Gashülle umgeben, die nach außen wie eine gigantische Sternatmosphäre wirken könnte. Das Modell soll erklären, was hinter einigen der rätselhaften „Little Red Dots“ im frühen Universum steckt.
Foto: iStock; Jose-Luis Olivares, MIT , Creative Commons BY-NC-ND 4.0
Warum fehlt die Röntgenstrahlung?
Noch etwas passt zum Modell einer dichten Gashülle: MoM-BH*-1 wurde bislang nicht als starke Röntgenquelle nachgewiesen. Das ist für ein aktives Schwarzes Loch zunächst auffällig. Materie, die auf ein Schwarzes Loch fällt, erzeugt normalerweise intensive Röntgenstrahlung.
Eine sehr dichte Gashülle könnte diese Strahlung jedoch weitgehend abschirmen. Die Hülle wäre dann so undurchlässig, dass selbst energiereiche Röntgenstrahlung kaum nach außen gelangt. Astronominnen und Astronomen bezeichnen solche Verhältnisse als Compton-dick.
Genau das könnte erklären, warum viele der sogenannten Little Red Dots trotz Hinweisen auf aktive Schwarze Löcher im Röntgenbereich erstaunlich schwach bleiben.
Was steckt hinter den „Little Red Dots“?
Seit JWST besonders tief in das frühe Universum blickt, tauchen dort immer wieder kleine, kompakte und auffällig rote Quellen auf. Astronominnen und Astronomen nennen sie Little Red Dots.
Ihre Eigenschaften passen bislang nur schwer zusammen. Breite Wasserstofflinien deuten bei vielen auf aktive Schwarze Löcher hin. Gleichzeitig besitzen manche einen starken Balmer-Sprung und ungewöhnliche Spektren. Im Röntgenbereich bleiben sie häufig unscheinbar.
MoM-BH*-1 könnte ein besonders gut sichtbarer Extremfall dieser Gruppe sein. Bei dem Objekt ist die zentrale Quelle so hell, dass ihre Wirtsgalaxie weitgehend überstrahlt wird. Dadurch lässt sich das Licht aus der unmittelbaren Umgebung des Schwarzen Lochs vergleichsweise klar untersuchen.
Die Forschenden kombinierten deshalb das Spektrum von MoM-BH*-1 mit dem einer nahe gelegenen sternbildenden Galaxie bei nahezu derselben Rotverschiebung. Das Ergebnis ähnelt auffällig dem vieler Little Red Dots: Bei kurzen Wellenlängen dominiert das Licht der Sterne, bei längeren Wellenlängen tritt offenbar die Strahlung aus der Umgebung des Schwarzen Lochs hervor.
Das bedeutet nicht, dass alle Little Red Dots denselben Aufbau haben müssen. Die Beobachtung zeigt aber, dass ein in dichtes Gas eingebettetes Schwarzes Loch mehrere ihrer bislang schwer erklärbaren Eigenschaften gleichzeitig reproduzieren kann.
Auf diesen Aufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) sticht der Stern mit dem Schwarzen Loch als kleiner roter Punkt hervor. Solche kleinen roten Punkte sind auf JWST-Aufnahmen äußerst häufig anzutreffen.
Foto: Courtesy of the researchers , Creative Commons BY-NC-ND 4.0
Wie konnten Schwarze Löcher so schnell wachsen?
Damit berührt MoM-BH*-1 noch ein größeres Problem der Astronomie. Forschende kennen bereits Schwarze Löcher mit Hunderten Millionen oder sogar Milliarden Sonnenmassen aus einer Zeit, als das Universum noch keine Milliarde Jahre alt war. Für ihr Wachstum blieb damit nur wenig Zeit.
Eine extrem dichte Gasumgebung könnte dabei geholfen haben. Beim Wachstum eines Schwarzen Lochs entsteht starke Strahlung. Deren Druck wirkt dem einfallenden Gas entgegen. Die sogenannte Eddington-Grenze beschreibt vereinfacht den Punkt, an dem dieser Strahlungsdruck den weiteren Materiezustrom zunehmend bremst.
Ist das Schwarze Loch jedoch in eine sehr dichte Gashülle eingebettet, kann ein Teil der Strahlung eingeschlossen oder anders nach außen transportiert werden. Unter bestimmten Bedingungen könnte dadurch zeitweise mehr Materie auf das Schwarze Loch fallen, als einfache Modelle der Eddington-Grenze erwarten lassen.
Für MoM-BH*-1 diskutieren die Forschenden deshalb sowohl ein besonders schnelles Wachstum als auch die Endphase eines solchen Wachstumsschubs. Aus den bisherigen Daten lässt sich jedoch nicht bestimmen, ob das Schwarze Loch tatsächlich gerade oberhalb der üblichen Eddington-Grenze wächst.
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