Das Webb-Weltraumteleskop sucht nach urzeitlichen Schwarzen Löchern

Künstlerische Darstellung des James-Webb-Weltraumteleskops. Bildnachweis: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

Webb-Weltraumteleskop-Team weiter arbeiten auf mich Inbetriebnahme Es ist der letzte Schritt vor der Aufnahme des wissenschaftlichen Betriebs im Sommer. Wir haben kürzlich das erstaunliche Foto von gesehen Das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraßegenommen von Event-Horizon-Teleskop. Eines der Geheimnisse der modernen Astronomie ist, wie groß jeder ist Galaxis Er bekam eine riesige Zentralität Schwarzes Lochund wie einige dieser Schwarzen Löcher sogar in den sehr frühen Zeiten des Universums überraschend groß sind. Wir haben Roberto Maiolino, ein Mitglied des Near Infrared Spectrometer (NIRSpec)-Teams von Webb, gebeten, uns zu sagen, wie Webb bei der Beantwortung einiger dieser Fragen helfen wird.

„Eines der aufregendsten Entdeckungsgebiete, das Webb erschließen wird, ist die Suche nach primordialen Schwarzen Löchern im frühen Universum. Dies sind die Keime der massereichsten Schwarzen Löcher, die Astronomen in galaktischen Kernen gefunden haben. Die meisten Galaxien (vielleicht alle ) beherbergen Schwarze Löcher in ihren Zentren, und ihre Massen reichen von Millionen bis Milliarden Sonnenmassen. Diese supermassiven Schwarzen Löcher sind sehr groß geworden, indem sie Materie um sie herum verschlangen und auch kleinere Schwarze Löcher verschmelzen.

„Die neueste interessante Entdeckung ist die Entdeckung von supermassiven Schwarzen Löchern mit Massen von mehreren Milliarden Sonnenmassen, die tatsächlich existierten, als das Universum nur etwa 700 Millionen Jahre alt war, ein Bruchteil seines heutigen Alters von 13,8 Milliarden Jahren.“ Das ist rätselhaft Ergebnis, denn in einem so frühen Alter war nach gängigen Theorien nicht genug Zeit für die Entwicklung solch massiver Schwarzer Löcher. Einige Szenarien wurden vorgeschlagen, um dieses Rätsel zu lösen.

Eine Möglichkeit ist, dass Schwarze Löcher, die durch den Tod der ersten Sternengeneration im frühen Universum verursacht wurden, Material mit außergewöhnlich hohen Raten angesammelt haben. Ein anderes Szenario ist, dass Urgaswolken, die noch nicht mit chemischen Elementen schwerer als Helium angereichert sind, direkt zusammenbrechen könnten[{“ attribute=““>black hole with a mass of a few hundred thousand solar masses, and subsequently accrete matter to evolve into the hyper-massive black holes observed at later epochs. Finally, dense, nuclear star clusters at the centers of baby galaxies may have produced intermediate mass black hole seeds, via stellar collisions or merging of stellar-mass black holes, and then become much more massive via accretion.

This illustration shows the populations of known black holes (large black dots) and the candidate black hole progenitors in the early universe (shaded regions). Credit: Roberto Maiolino, University of Cambridge

“Webb is about to open a completely new discovery space in this area. It is possible that the first black hole seeds originally formed in the ‘baby universe,’ within just a few million years after the big bang. Webb is the perfect ‘time machine’ to learn about these primeval objects. Its exceptional sensitivity makes Webb capable of detecting extremely distant galaxies, and because of the time required for the light emitted by the galaxies to travel to us, we will see them as they were in the remote past.

“Webb’s NIRSpec instrument is particularly well suited to identify primeval black hole seeds. My colleagues in the NIRSpec Instrument Science Team and I will be searching for their signatures during ‘active’ phases, when they are voraciously gobbling matter and growing rapidly. In these phases the material surrounding them becomes extremely hot and luminous and ionizes the atoms in their surroundings and in their host galaxies.

“NIRSpec will disperse the light from these systems into spectra, or ‘rainbows.’ The rainbow of active black hole seeds will be characterised by specific ‘fingerprints,’ features of highly ionized atoms. NIRSpec will also measure the velocity of the gas orbiting in the vicinity of these primeval black holes. Smaller black holes will be characterized by lower orbital velocities. Black hole seeds formed in pristine clouds will be identified by the absence of features associated with any element heavier than helium.

“I look forward to using Webb’s unprecedented capabilities to search for these black hole progenitors, with the ultimate goal of understanding their nature and origin. The early universe and the realm of black holes seeds is a completely uncharted territory that my colleagues and I are very excited to explore with Webb.”

— Roberto Maiolino, professor of experimental astrophysics and director of the Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge

Written by:

• Jonathan Gardner, Webb deputy senior project scientist, NASA’s Goddard Space Flight Center
• Stefanie Milam, Webb deputy project scientist for planetary science, NASA’s Goddard Space Flight Center