Supermassereiche Schwarze Löcher im Herzen von Galaxien können hunderte Millionen bis mehrere Milliarden Sonnenmassen umfassen. Doch wie solche Schwerkraftgiganten einst entstanden sind, ist nicht eindeutig geklärt. Einer gängigen Theorie nach entstehen solche supermassereichen Riesen aus stellaren Schwarzen Löchern, die durch das Verschlingen von Materie und Verschmelzungen allmählich größer werden. Doch Beobachtungen aus dem frühen Kosmos wecken Zweifel daran. Denn Astronomen haben mehrere Quasare entdeckt, die schon weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall mehr als eine Milliarde Sonnenmassen schwer waren. Weil die Wachstumsrate eines Schwarzen Lochs durch das sogenannte Eddington-Limit begrenzt ist, können diese frühen Giganten eigentlich nicht durch langsame Akkretion herangewachsen sein. Um diese zu erklären, werden alternative Mechanismen diskutiert, darunter die Verschmelzung mehrerer früher “Loch-Keimlinge” oder auch der Kollaps massereicher Gaswolken direkt zu 10.000 bis 100.000 Sonnenmassen schweren Vorläufern der supermassereichen Schwarzen Löcher. Auch eine Akkretion jenseits des Eddington-Limits wird diskutiert.
Eine frühe Galaxie mit aktivem Kern
Antworten darauf, welcher Mechanismus die kosmischen Schwerkraftgiganten so schnell heranwachsen ließ, erhoffen sich Astronomen vor allem von der Suche nach “Loch-Keimlingen” im frühen Kosmos. Wenn sie diese gewissermaßen “auf frischer Tat” ertappen, könnte dies verraten, wie die frühen Schwarzen Löcher wuchsen. Wichtigstes Werkzeug für diese Untersuchungen ist das James-Webb-Teleskop mit seinem hochauflösenden Infrarotspektrometer NIRSpec. Denn dieses kann die Spektralsignaturen einfangen und aufschlüsseln, die von der Aktivität des Schwarzen Lochs erzeugt werden. Erst im November 2023 gelang es Astronomen, das bis dahin fernste Schwarze Loch aufzuspüren. Es liegt in der Galaxie UHZ1, die schon 470 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte und schien ungewöhnlich groß und massereich für seine eher schmächtige Galaxie. Das führte zu Spekulationen darüber, ob dieses Schwarze Loch womöglich durch direkten Kollaps einer Gaswolke entstanden war.
Doch jetzt haben Astronomen um Roberto Maiolino von der University of Cambridge ein noch älteres Schwarzes Loch aufgespürt. Für ihre Studie hatten sie mithilfe des NIRSpec-Spektrometers die ferne, aber ungewöhnlich hell leuchtende Galaxie GN-z11 näher untersucht. Erste Beobachtungen mit dem Hubble-Weltraumteleskop und dem James-Webb-Teleskop hatten bereits gezeigt, dass diese Galaxie eine helle Kernregion mit umgebender, weniger stark leuchtender Scheibe aufweist. Es blieb aber unklar, ob das Leuchten von starker Sternbildung hervorgerufen wird oder von einem aktiven Schwarzen Loch. Die neuen, hochauflösenden Spektralanalysen haben nun mehr Klarheit gebracht. Sie zeigen einige Spektrallinien, darunter eine doppelte Neon-IV-Linie, die für aktive Galaxienkerne (AGN) typisch sind. “NeIV ist ein eindeutiger AGN-Tracer, weil für diese Linie Photonen mit Energien von mehr als 63,5 Elektronenvolt nötig sind”, erklären Maiolino und seine Kollegen. Auch eine für AGN typische Kohlenstoff-Linie konnte sie identifizieren.
