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Donnerstag, 14.12.2017
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Astronomen entdecken ältesten Quasar

Supermassereiches Schwarzes Loch aus der Zeit nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall

Kosmischer Rekord: Astronomen haben den bisher ältesten Quasar des Kosmos entdeckt. Das supermassereiche Schwarze Loch ist mehr als 13 Milliarden Jahre alt. Das Seltsame daran: Obwohl der Quasar aus der Zeit nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall stammt, ist er ein echter Massegigant, wie die Forscher im Fachmagazin "Nature" berichten. Spannend auch: Das Licht des Quasars gibt Einblick in eine Umbruchszeit des Universums, die Reionisierung.
Astronomen haben ein aktives supermassereiches Schwarzes Loch entdeckt, das aus der Zeit nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall stammt.

Astronomen haben ein aktives supermassereiches Schwarzes Loch entdeckt, das aus der Zeit nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall stammt.

Quasare gehören zu den hellsten Objekten im Kosmos: Das Licht dieser aktiven Galaxien ist über Milliarden Lichtjahre hinweg sichtbar und bietet daher einzigartige Einblicke in die Frühzeit des Universums. Es entsteht, wenn das supermassereiche Loch im Zentrum einer solchen Galaxie große Mengen Materie ansaugt und verschluckt.

Doch trotz ihrer enormen Strahlkraft sind sehr ferne, alte Quasare selten und schwer aufzuspüren. Bisher haben Astronomen nur rund 100 Quasare entdeckt, die älter sind als zwölf Milliarden Jahre. Und nur ein einziger davon erreicht fast 13 Milliarden Jahre. Für sein Licht ermittelten die Astronomen eine Rotverschiebung von z=7,1 – dies entspricht einem Alter von 12,9 Milliarden Jahren.

Aufwändige Fahndung


Jetzt gibt es einen neuen Rekordhalter: Astronomen um Eduardo Bañados von der Carnegie Institution für Science in Pasadena haben einen Quasar entdeckt, der noch weiter entfernt liegt als alle bisherigen Funde. Aufgespürt haben sie ihn durch die vergleichende Datenauswertung von drei verschiedenen Himmelsdurchmusterungen.


Die Astronomen suchten dabei gezielt nach Objekten, die wegen ihrer großen Rotverschiebung zwar in Infrarotteleskopen erscheinen, nicht aber in den Aufnahmen optischer Teleskope. Ein kosmisches Objekt ging ihnen bei dieser Fahndung ins Netz: der Quasar J1342+0928. Um mehr über Alter und Eigenschaften dieses Objekts zu erfahren, beobachteten sie den Quasar mit mehreren leistungsstarken Teleskope und analysierten sein Lichtspektrum.

Der Quasar stammt aus der Zeit der Reionisierung - einem der großen Phasenübergänge unseres Universums.

Der Quasar stammt aus der Zeit der Reionisierung - einem der großen Phasenübergänge unseres Universums.

Nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall


Das Ergebnis: J1342+0928 ist der bisher älteste und fernste Quasar überhaupt. Er besitzt eine Rotverschiebung von 7,54, wie die Spektralanalysen ergaben. "Damit stammt sein Licht aus einer Zeit nur 690 Millionen Jahre nach dem Urknall", berichten Bañados und seine Kollegen. Das Universum hatte damals erst fünf Prozent seines heutigen Alters. Der neuentdeckte Quasar ist damit der mit Abstand älteste je entdeckte.

Spannend auch: Der neue Rekordhalter stammt aus einer Umbruchszeit des Kosmos – der Epoche der Reionisierung. In dieser Phase raubte das intensive Licht der jungen Sterne dem bis dahin neutralen Wasserstoffgas Elektronen und ionisierte es dadurch. "Die Reionisierung war der letzte große Phasenübergang des Universums", erklärt Bañados. Doch wann und wie genau die Reionisierung stattfand, ist bisher erst in Teilen geklärt.

Reionisierung lief noch


Der Quasar J1342+0928 liefert dazu nun einen weiteren Anhaltspunkt. Denn die Spektralanalysen seines Lichts legen nahe, dass ein Teil des Wasserstoffs in seiner Umgebung noch neutral gewesen sein muss – je nach Berechnungsmethode zwischen 38 und 77 Prozent. Nach Ansicht der Astronomen könnte dies darauf hindeuten, dass die Reionisierung damals noch nicht abgeschlossen war.

"Die Tatsache, dass beide bisher bekannten Quasare mit einer Rotverschiebung Z>7 Hinweise auf neutralen Wasserstoff zeigen, bestätigt, dass wir mit unseren Beobachtungen bis in die Epoche der Reionisierung vorgedrungen sind", konstatieren die Forscher. Damit stützt die neue Quasar-Beobachtung jene kosmologischen Modelle, in denen die Reionisierung erst relativ spät in der kosmischen Geschichte ihr Ende findet.

J1342+0928 ist für sein Alter ungewöhnlich hell udn massereich

J1342+0928 ist für sein Alter ungewöhnlich hell udn massereich

Zu massereich für seine Zeit?


Und noch etwas ist außergewöhnlich: J1342+0928 ist sehr hell und extrem massereich. Nach den Berechnungen der Astronomen setzt der Quasar pro Sekunde rund 40 Billionen Mal so viel Energie frei wie die Sonne. Aus Helligkeit und Lichtspektrum ermittelten die Forscher zudem, dass das supermassereiche Schwarze Loch rund 800 Millionen Sonnenmassen umfassten muss. Zum Vergleich: Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße hat nur rund drei Millionen Sonnenmassen.

"Zu erklären, wie dieses Objekte diese ganze Masse in weniger als 690 Millionen Jahren angesammelt hat, ist eine echte Herausforderung für unsere Theorien zum Wachstum solcher supermassereichen Schwarzen Löcher", sagt Bañados. Robert Simcoe vom Kavli institute ergänzt: "Das Universum war damals eigentlich noch nicht alt genug, um ein so großes Schwarzes Loch zu produzieren – das ist sehr rätselhaft."

Denn dies bedeutet entweder, dass die frühen Schwarzen Löcher schneller wuchsen als bisher angenommen, oder aber, dass der Vorläufer dieses kosmischen Giganten schon weniger als 100 Millionen Jahre nach dem Urknall eine beträchtliche Größe erreicht haben musste.

Einzigartige Einblicke


Schon die ersten Beobachtungen dieses Quasars haben damit wertvolle Einblicke in die Frühgeschichte des Kosmos geliefert – und neue Fragen aufgeworfen. "Dies ist eine sehr spannende Entdeckung", sagt Koautor Daniel Stern vom Jet Propulsion Laboratory der NASA. Er und seine Kollegen hoffen, dass Folgebeobachtungen noch weitere Details über diesen Quasar und seine Ära zutage fördern werden.

Die Astronomen wollen zudem weiter nach vergleichbar fernen Quasaren fahnden. "Mit den noch sensibleren Anlagen der nächsten Generation, die in den nächsten Jahren gebaut werden, können wir hoffentlich noch viele aufregende Entdeckungen im frühen Universum machen", so Stern. (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature25180)
(Carnegie Institution, National Optical Astronomy Observatory, MPI für Astronomie, 07.12.2017 - NPO)
 
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