Das James-Webb-Teleskop entschlüsselt Schwarze Löcher im frühen Universum

Jüngste Beobachtungen des James-Webb-Weltraumteleskops an zwei Quasaren vom Anfang des Universums liefern wichtige Einblicke in die frühe Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und ihren Galaxien und spiegeln die Massenverhältnisse wider, die im neueren Universum beobachtet wurden.

Neue Bilder des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) haben zum ersten Mal Sternenlicht von zwei massereichen Galaxien enthüllt, die aktiv wachsende Schwarze Löcher – Quasare – beherbergen, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall gesehen wurden. Schwarze Löcher haben eine Masse, die etwa eine Milliarde Mal so groß ist wie die der Sonne, und die Massen ihrer Muttergalaxien sind etwa hundertmal größer, ein ähnliches Verhältnis wie im jüngeren Universum. Laut einer aktuellen Studie aus dem Jahr 2016 hat eine leistungsstarke Kombination aus der Weitfelddurchmusterung des Subaru-Teleskops und der James-Webb-Raumsonde einen neuen Weg zur Erforschung des fernen Universums geebnet. Natur.

Beobachtungen riesiger Schwarzer Löcher haben in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit von Astronomen auf sich gezogen. Das Event Horizon Telescope (EHT) hat damit begonnen, den „Schatten“ von Schwarzen Löchern in den Zentren von Galaxien abzubilden. Der Physik-Romanpreis 2020 wurde für Beobachtungen der Sternbewegung im Herzen einer Galaxie verliehen. Milchstraße. Obwohl die Existenz solch riesiger Schwarzer Löcher gut belegt ist, kennt niemand ihren Ursprung.

Astronomen haben die Existenz von Schwarzen Löchern mit einer Masse von einer Milliarde Sonnenmassen während der ersten Milliarde Jahre des Universums gemeldet. Wie konnten diese Schwarzen Löcher also so groß werden, als das Universum noch so jung war? Noch rätselhafter ist, dass Beobachtungen im lokalen Universum einen klaren Zusammenhang zwischen der Masse supermassiver Schwarzer Löcher und den massereicheren Galaxien, in denen sie leben, zeigen. Galaxien und Schwarze Löcher haben völlig unterschiedliche Größen. Was war also zuerst da: Schwarze Löcher oder Galaxien? Auf kosmischer Ebene handelt es sich um ein „Henne oder Ei“-Problem.

3,6 µm JWST NIRCam-Bild von HSC J2236+0032. Das Miniaturbild, das Quasarbild und das Bild der Muttergalaxie nach Abzug des Quasarlichts (von links nach rechts). Der Bildmaßstab ist in jedem Panel in Lichtjahren angegeben. Bildnachweis: Ding, Ono, Silverman et al.

Ein internationales Forscherteam wird von Masafusa Ono, einem Kavli Fellow für Astrophysik am Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (KIAA) der Peking-Universität, und Shuheng Ding, einem Research Fellow am Kavli Institute for Cosmic Physics and Mathematics (Kavli IPMU), geleitet ). ) und John Silverman, ein Kavli-Professor an der IPMU, machten sich daran, diese Frage mit zu beantworten James Webb-Weltraumteleskop (JWST), ein 6,5-Meter-Weltraumteleskop, das in einer internationalen Zusammenarbeit zwischen … entwickelt wurde. NASADie Europäische Weltraumorganisation (ESA) und der Canadian Space Agency (CSA) und wurden im Dezember 2021 gestartet.

Quasare sind leuchtend, während ihre Muttergalaxien schwach sind, was es für Forscher schwierig macht, schwaches galaktisches Licht im Leuchten des Quasars zu entdecken, insbesondere in großen Entfernungen. „Die Suche nach den Wirtsgalaxien von Quasaren bei Rotverschiebung 6 ist wie der Versuch, Glühwürmchen in einem spektakulären Feuerwerk zu entdecken, während man eine beschlagene Brille trägt. Die Wirtsgalaxien sind unglaublich lichtschwach und die Bildauflösung war selbst mit sehr begrenzt Hubble-Weltraumteleskop„Das macht es zu einer echten Herausforderung, seine verborgene Schönheit zu enthüllen“, sagt Xuheng Ding.

Künstlerisches Konzept des James Webb-Weltraumteleskops der NASA. Bildquelle: NASA, ESA und Northrop Grumman

Das Team beobachtete mit dem James Webb-Weltraumteleskop zwei Quasare, HSC J2236+0032 und HSC J2255+0251, bei Rotverschiebungen von 6,40 und 6,34, als das Universum etwa 860 Millionen Jahre alt war. Diese beiden Quasare wurden ursprünglich durch eine groß angelegte Durchmusterung des 8,2-Meter-Subaru-Teleskops entdeckt, mit der das Forschungsteam bis heute mehr als 160 Quasare identifiziert hat. Die relativ geringe Leuchtkraft dieser Quasare macht sie zu erstklassigen Zielen für die Messung der Eigenschaften ihrer Wirtsgalaxie, und die erfolgreiche Entdeckung der Wirtsgalaxie stellt die erste Epoche dar, in der bislang Sternenlicht in einem Quasar nachgewiesen wurde.

Bilder von Quasaren bei Infrarotwellenlängen von 3,56 und 1,50 Mikrometern wurden mit dem NIRCam-Instrument des JWST aufgenommen, und die Wirtsgalaxien wurden nach sorgfältiger Modellierung und Subtraktion des Leuchtens akkretierender Schwarzer Löcher sichtbar. Die Sternsignatur der Muttergalaxie war auch im Spektrum zu sehen, das von JWSTs NIRSpec von J2236+0032 aufgenommen wurde, was die Entdeckung der Muttergalaxie stützt. „Seit meiner Doktorzeit am National Astronomical Observatory of Japan bin ich intensiv an Subarus Untersuchung von Quasaren mit hoher Rotverschiebung beteiligt. Ich bin äußerst stolz auf die erfolgreiche Entdeckung von Sternenlicht von HSC-Quasaren, die wir mit Subaru gefunden haben“, sagt Masafusa Onoe.

Kavli IPMU-Projektforscher Xuheng Ding, Professor John Silverman und Kavli Astrophysics Fellow Masafusa Onoue vom Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (PKU-KIAA) (von links). Bildnachweis: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

Durch Beobachtungen stellte das Team fest, dass… schwarzes Loch Die Masse der Muttergalaxie ähnelt der des jüngeren Universums. Das Ergebnis legt nahe, dass die Beziehung zwischen Schwarzen Löchern und ihren Wirten bereits in der ersten Milliarde Jahre nach der Explosion bestand die große Explosion. Das Team wird diese Studie mit einer größeren Stichprobe entfernter Quasare fortsetzen, mit dem Ziel, die koevolutionäre Wachstumsgeschichte von Schwarzen Löchern und ihren Muttergalaxien im Laufe der kosmischen Zeit einzuschränken. Diese Beobachtungen werden Modelle der Koevolution von Schwarzen Löchern und ihren Muttergalaxien einschränken.

Lesen Sie mehr über diese Entdeckung unter Forscher entdecken Quasar-Wirtsgalaxien im frühen Universum.

Referenz: „Erkennung von Sternlicht aus Quasar-Wirtsgalaxien bei Rotverschiebungen über 6“ von Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Janke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Volontieri, Zoltan Heymann, Erham Tawfiq Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebecca Perry, Sarah E. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Kristina Ehlers, Seiji Fujimoto, Melanie Haposet, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kishikawa, Toshihiro. Kawaguchi, Kotaro Kohno, Shin-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Liu, Toru Nagao, Roderick Overzer, Jan Torg Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasako, Yoshiki Toba, Benny Trachtenbrot, Maxim Trebich, Tommaso Trieu, Hideki Umehata, Bram B. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang und Jenny Yang, 28. Juni 2023, Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-06345-5