Was war zuerst da: Schwarze Löcher oder Galaxien?

Nahezu alle großen Galaxien im Universum beherbergen in ihren Zentren schwarze Löcher mit Massen von Millionen oder sogar Milliarden Sonnen. Astronomen rätseln seit Jahrzehnten, wie es dazu gekommen ist: Waren schwarze Löcher die Keimzellen, um die sich später Galaxien geformt haben? Oder bildeten sich die Massengiganten, erst nachdem sich Gas und Sterne zu Galaxien verdichtet hatten? Eine unscheinbar wirkende Wolke aus Wasserstoffgas liefert nun eine mögliche Antwort auf dieses kosmologische Henne-Ei-Problem. Eine internationale Astronomengruppe hat jetzt herausgefunden, dass im Zentrum besagter Wolke ein superschweres schwarzes Loch sitzt, ohne dass es irgendwelche Hinweise auf die Existenz einer Wirtsgalaxie gibt. Das scheint die These von der Keimzelle späterer Galaxien zu stützen, schreiben die Forscher um Ignas Juodžbalis von der University of Cambridge in der Zeitschrift „Nature“.Die das schwarze Loch umgebende Wolke ist ein sogenannter „Little Red Dot“ – ein „kleiner roter Punkt“. Darunter verstehen Astronomen eine erst vor wenigen Jahren entdeckte Objektklasse, die bislang jeder Erklärung trotzt. Little Red Dots, kurz LRD, zeigen sich bislang nur auf lang belichteten Aufnahmen des James-Webb-Teleskops. Sie leuchten vorwiegend im roten Spektralbereich, und ihre räumliche Struktur ist normalerweise nicht auflösbar. Ihre Spektren verraten aber, dass es sich um extrem weit entfernte Wasserstoffwolken handelt: Ihr Licht stammt aus einer Zeit, als das Universum erst fünf Prozent seines heutigen Alters erreicht hatte und sich die ersten Galaxien gerade zu formen begannen.Kosmischer Zufall ebnet MassenmessungenDie Forscher um Juodžbalis interessierten sich für den Little Red Dot namens Abell 2744-QSO1. Dieses Objekt hatte ein internationales Team von Astronomen um Lukas J. Furtak von der Ben-Gurion-Universität im israelischen Be'erscheva vor drei Jahren auf einer Aufnahme des James-Webb-Weltraumteleskops vom Galaxienhaufen Abell 2744 entdeckt. Die Ansammlung großer Galaxien liegt in rund vier Millionen Lichtjahren Entfernung im Sternbild Bildhauer. QSO1 liegt aus Sicht der Erde hinter Abell 2744, sodass der Galaxienhaufen als Gravitationslinse wirkt: Seine Schwerkraft erzeugt drei identische, stark vergrößerte Abbilder des roten Punktes an verschiedenen Stellen in der Umgebung des Haufens. Diesen kosmischen Zufall haben Juodžbalis seine Kollegen dazu genutzt, räumlich aufgelöste Spektren des Little Red Dot aufzunehmen und so die Bewegung des Wasserstoffgases im Inneren der Wolke zu analysieren. Das Ergebnis bestätigt frühere Annahmen: Das Gas wirbelt mit hoher Geschwindigkeit um eine zentrale Masse im Zentrum der Wolke herum.Little Red Dot QSO1, aufgenommen mit dem James Webb Weltraumteleskop. Das Objekt misst nur 0,4 BogensekundenNASA, ESA, CSAAus der gemessenen Geschwindigkeitsverteilung gelang es den Forschern um Juodžbalis schließlich, einen recht genauen Wert für die zentrale Masse abzuleiten: Sie beträgt 50 Millionen Sonnenmassen und ist praktisch auf einen einzigen Punkt konzentriert. Damit bleibt für die Astronomen als Erklärung nur ein schwarzes Loch übrig, das im Zentrum der Gaswolke sitzt. „Bislang waren alle Massenmessungen von schwarzen Löchern im frühen Universum nur indirekt möglich und beruhten auf Annahmen, die auf unseren Erkenntnissen über diese Objekte im lokalen Universum basierten“, sagt Francesco D’Eugenio aus Cambridge, Mitautor der Studie.QSO1 löst Henne-Ei-ProblemDank der direkten Massenmessung konnten die Forscher andere mögliche Szenarien über die Natur des Massenzentrums von Abell 2744-QSO1 ausschließen. So halten sie es für höchst unwahrscheinlich, dass sich die 50 Millionen Sonnenmassen auf zahlreiche verstreute Sterne verteilen. Dann nämlich würde das Gas die Zentralmasse nicht auf die gleiche Weise umkreisen wie die Planeten in unserem Sonnensystem die Sonne, sagt Juodžbalis: „Das zeigt klar, dass der größte Teil der Masse von QSO1 im schwarzen Loch konzentriert ist.“Das rote Objekt unterscheidet sich somit fundamental von Babygalaxien im frühen Kosmos – und erst recht von heutigen Welteninseln wie der Milchstraße. Dort sind die zentralen schwarzen Löcher sowohl in Gaswolken als auch in große Sternpopulationen eingebettet. Vielmehr scheint es, als habe ich sich das schwarze Loch in Abell 2744-QSO1 gebildet, bevor Sterne und damit eine rudimentäre Galaxie entstehen konnte – was das Henne-Ei-Problem zumindest für QSO1 zu lösen scheint. Für die Astronomen um Juodžbalis ist ihre Entdeckung eine grundlegende Neubetrachtung der klassischen Szenarien zur Entstehung und zum Wachstum von schwarzen Löchern: Little Red Dots, die rätselhaften Objekte auf den James-Webb-Aufnahmen, repräsentieren dabei das entscheidende Verbindungsstück.„Das Ergebnis wirklich bemerkenswert“, sagt Jan-Torge Schindler von der Universität Hamburg, der nicht an den Messungen der Forscher um Juodžbalis beteiligt war. „Allerdings bringt die Analyse die Daten auch an die Grenze des technisch Machbaren.“ Die Schlussfolgerungen seien nach Schindlers Meinung daher mit Vorsicht zu betrachten. Offen sei auch, ob sich die Erkenntnisse von QSO1 auf andere, vielleicht sogar alle Little Red Dots übertragen lassen. Juodžbalis und seine Kollegen sind überzeugt, dass Little Red Dots wie QSO1 im frühen Universum keine Seltenheit sind – und dass es womöglich noch weitere gibt, bei denen Gravitationslinsen einen genaueren Blick ermöglichen. Sollte sich bestätigen, dass massereiche schwarze Löcher tatsächlich vor ihren Galaxien entstanden sind, führt das natürlich zu den nächsten ungelösten Fragen: Wie sind die Massenmonster überhaupt entstanden, und wie konnten sie innerhalb von wenigen Hundert Millionen Jahren nach dem Urknall auf solch bemerkenswerte Masse anwachsen?