Wie jedes Objekt brauchen auch Schwarze Löcher Zeit, um zu wachsen und sich zu bilden. Und wie ein 1,80 Meter großes Kleinkind waren Fans übergroße Schwarze Löcher zu groß für ihr Alter – das Universum war noch nicht alt genug, als dass sie Milliarden von Sonnen an Gewicht angehäuft hätten. Um diese übergroßen Kleinkinder zu erklären, mussten die Physiker zwei unangenehme Optionen in Betracht ziehen.
Vor Jahrzehnten half Xiaohui Fan, ein Astronom an der University of Arizona, bei der Entdeckung einer Reihe von Quasaren – helle supermassive Schwarze Löcher – deren extreme Jugend und Größe den Standardtheorien zur Entstehung von Schwarzen Löchern widersprachen.Foto: Tod Lauer
Das erste war, dass Fan-Galaxien anfangs mit normalen Schwarzen Löchern mit etwa stellarer Masse gefüllt waren, wie sie Supernovae oft hinterlassen. Diese wuchsen dann sowohl durch Verschmelzung als auch durch das Verschlucken von umgebendem Gas und Staub. Normalerweise, wenn ein Schwarzes Loch aggressiv genug frisst, schiebt ein Strahlungsausstoß seine Bruchstücke weg. Das stoppt den Fressrausch und setzt eine Geschwindigkeitsbegrenzung für das Wachstum von Schwarzen Löchern, die Wissenschaftler als Eddington-Grenze bezeichnen. Aber es ist eine weiche Decke: Ein ständiger Staubstrom könnte den Strahlungsausstoß möglicherweise überwinden. Es ist jedoch schwer vorstellbar, dass ein solches „Super-Eddington“-Wachstum lange genug anhält, um Fans Biester zu erklären – sie hätten sich unvorstellbar schnell anhäufen müssen.
Oder vielleicht können Schwarze Löcher mit unwahrscheinlich großer Größe entstehen. Gaswolken im frühen Universum könnten direkt zu Schwarzen Löchern mit einem Gewicht von vielen Tausend Sonnen kollabiert sein und dabei Objekte erzeugt haben, die als schwere Samen bezeichnet werden. Auch dieses Szenario ist schwer zu ertragen, da solch große, klumpige Gaswolken in Sterne zerfallen sollten, bevor sich ein Schwarzes Loch bildet.
Eine der Prioritäten von JWST besteht darin, diese beiden Szenarien zu bewerten, indem man einen Blick in die Vergangenheit wirft und die schwächeren Vorfahren von Fan-Galaxien einfängt. Diese Vorläufer wären nicht unbedingt Quasare, sondern Galaxien mit etwas kleineren Schwarzen Löchern auf dem Weg, Quasare zu werden. Mit JWST haben Wissenschaftler die besten Chancen, Schwarze Löcher zu entdecken, die gerade erst zu wachsen begonnen haben – Objekte, die jung genug und klein genug sind, damit Forscher ihr Geburtsgewicht bestimmen können.
Das ist einer der Gründe, warum eine Gruppe von Astronomen des Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) unter der Leitung von Dale Kocevski vom Colby College Überstunden machte, als sie in den Tagen nach Weihnachten zum ersten Mal Anzeichen für das Auftauchen solcher jungen Schwarzen Löcher bemerkten.
„Es ist irgendwie beeindruckend, wie viele es davon gibt“, schrieb er Jeyhan Kartaltepeein Astronom am Rochester Institute of Technology, während einer Diskussion auf Slack.
„Viele kleine versteckte Monster“, antwortete Kocevski.
Illustration: Samuel Velasco/Quanta Magazine
Eine wachsende Menge Monster
In den CEERS-Spektren sprangen sofort einige Galaxien hervor, die möglicherweise kleine Schwarze Löcher versteckten – die kleinen Monster. Im Gegensatz zu ihren eher vanilleähnlichen Geschwistern emittierten diese Galaxien Licht, das nicht mit nur einem klaren Farbton für Wasserstoff ankam. Stattdessen wurde die Wasserstofflinie in eine Reihe von Farbtönen verwischt oder verbreitert, was darauf hindeutet, dass einige Lichtwellen gequetscht wurden, als umlaufende Gaswolken in Richtung JWST beschleunigt wurden (so wie ein sich nähernder Krankenwagen ein lauter werdendes Heulen ausstößt, während die Schallwellen seiner Sirene komprimiert werden), während andere Lichtwellen gequetscht wurden Wellen wurden gedehnt, während Wolken davonflogen. Kocevski und seine Kollegen wussten, dass Schwarze Löcher so ziemlich das einzige Objekt waren, das in der Lage war, Wasserstoff auf diese Weise herumzuschleudern.
„Die einzige Möglichkeit, die breite Komponente des Gases zu sehen, das das Schwarze Loch umkreist, besteht darin, direkt in das Innere der Galaxie und direkt in das Schwarze Loch zu blicken“, sagte Kocevski.
Bis Ende Januar war es dem CEERS-Team gelungen, einen Vorabdruck herauszubringen, der zwei der „versteckten kleinen Monster“, wie sie sie nannten, beschreibt. Dann machte sich die Gruppe daran, systematisch einen größeren Bereich der Hunderten von Galaxien zu untersuchen, die ihr Programm gesammelt hatte, um herauszufinden, wie viele Schwarze Löcher es dort draußen gab. Doch nur wenige Wochen später wurden sie von einem anderen Team unter der Leitung von Yuichi Harikane von der Universität Tokio überholt. Harikanes Gruppe durchsuchte 185 der am weitesten entfernten CEERS-Galaxien und 10 gefunden mit breiten Wasserstofflinien – die wahrscheinliche Arbeit zentraler Schwarzer Löcher mit einer Millionen-Sonnenmasse bei Rotverschiebungen zwischen 4 und 7. Dann im Juni eine Analyse von zwei anderen Umfragen unter der Leitung von Jorryt Matthee der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich identifizierte 20 weitere „kleine rote Punkte” mit breiten Wasserstofflinien: Schwarze Löcher wirbeln um Rotverschiebung 5. Eine Analyse Anfang August veröffentlicht kündigte ein weiteres Dutzend an, von denen einige möglicherweise sogar durch Fusion wachsen.