Rätselhafte rote Punkte: Little Red Dot entpuppt sich als Schwarzes Loch der Superlative

Mithilfe des James-Webb-Weltraumteleskops gelang erstmals die direkte Massenbestimmung eines »little red dot«: Dessen zentrales Schwarzes Loch bringt mehr als die gesamte sichtbare Materie seiner Heimatgalaxie auf die Waage. Das stützt die Idee, dass massereiche Schwarze Löcher bereits kurz nach dem Urknall möglicherweise durch den Direktkollaps großer Gaswolken entstanden sind.

von Simon Misof

Eine Illustration eines Schwarzen Lochs im Weltraum. Im Zentrum befindet sich ein dunkler Bereich, umgeben von einer leuchtenden Akkretionsscheibe, die in Blau- und Rottönen schimmert. Im Hintergrund sind einige Sterne vor einem dunklen Himmel zu sehen. Das Bild veranschaulicht die immense Anziehungskraft und die dynamischen Prozesse um ein Schwarzes Loch. — © Jiarong Gu (Ausschnitt)
Die Illustration zeigt die rotierende Gasscheibe um das zentrale Schwarze Loch von Abell 2744-QSO1. Durch den Dopplereffekt erscheint die sich vom Beobachter entfernende Seite rot-, die auf ihn zubewegende Seite blauverschoben.

In den letzten Jahren hat das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) eine neue Objektklasse entdeckt, die als »little red dots« (LRDs) für einige Aufregung gesorgt haben. Wahrscheinlich handelt es sich um eine Population extrem massereicher Schwarzer Löcher in den Zentren aktiver Galaxien mit breiten Emissionslinien bei hohen Rotverschiebungen. Mit 15 bis 30 Prozent machen sie einen beträchtlichen Teil dieser speziellen Art von aktiven Galaxienkernen aus (englisch: active galactic nucleus, AGN). Einer sticht darunter besonders hervor: Abell 2744-QSO1.

Das Objekt wurde bereits im Jahr 2023 bei einer kosmologischen Rotverschiebung von z = 7,04 entdeckt und beherbergt ein Schwarzes Loch von 40 bis 50 Millionen Sonnenmassen. Damit bringt es mehr als doppelt so viel auf die Waage wie die restliche, sichtbare Materie seiner Heimatgalaxie – ein Fall, der seinesgleichen sucht. Doch die Massenabschätzung ist umstritten und beruht auf Annahmen, die mithilfe von Beobachtungen im lokalen Universum gemacht wurden. Gelten sie auch für das frühe Universum bei hohen Rotverschiebungen?

Über jeden Zweifel erhaben

Um das herauszufinden, nahm ein Team um den Astronomen Ignas Juodžbalis von der University of Cambridge die Direttissima: Mit dem JWST gelang den Forschenden erstmals eine direkte Massenbestimmung des LRD auf Grundlage der gemessenen Rotationsbewegung des Gases um das massereiche Zentralobjekt. Dabei profitierte die Gruppe davon, dass das Licht von Abell 2744-QSO1 durch den im Vordergrund liegenden Galaxienhaufen Abell 2744 verstärkt wird (siehe »Gravitationslinsen-Trio«). Es stammt immerhin aus einer Zeit nur rund 770 Millionen Jahre nach dem Urknall.

Um die Bewegung des in der Akkretionsscheibe rotierenden Gases im Gravitationsfeld des Schwarzen Lochs nachvollziehen zu können, analysierte die Forschungsgruppe dessen gut sichtbare Emission im Bereich der H-alpha-Linie. Je nachdem, ob sich das in der Scheibe auf den Beobachter zubewegt oder von ihm wegbewegt, wird seine Strahlung durch den Dopplereffekt in den blauen beziehungsweise roten Spektralbereich verschoben. Auf diese Weise identifizierte das Team innerhalb eines Radius von rund 40 Lichtjahren um das Schwarze Loch zwei Regionen, in denen sich das Gas mit etwa 50 Kilometern pro Sekunde auf uns zubewegt beziehungsweise von uns wegbewegt.

© Furtak, L.J. et al.: JWST UNCOVER: Extremely Red and Compact Object at zphot ≃ 7.6 Triply Imaged by A2744. The Astrophysical Journal 952, 2023, fig. 1 / CC BY 4.0; Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft (Ausschnitt)

Doppeltes Gravitationslinsen-Trio |

Gut versteckt hinter dem Pandora-Galaxienhaufen (Abell 2744) befindet sich der »little red dot« Abell 2744-QSO1. Durch die Gravitationslinse wird sein Licht verstärkt und insgesamt dreifach abgebildet (QSO1A, B und C). Das Bild zeigt zudem drei Abbildungen des weiter entfernten, aber dennoch ausgedehnteren Objekts JD1 (z = 9,76). Im direkten Vergleich wird deutlich, dass Abell 2744-QSO1 trotz der geringeren Rotverschiebung nicht nur deutlich röter, sondern auch in vergrößerter Form immer noch vollkommen punktförmig erscheint. Letzteres weist auf eine extrem geringe physikalische Größe der Emissionsregion hin. Die farbigen Linien markieren die Zonen, innerhalb derer die Vergrößerung durch den Gravitationslinseneffekt für Objekte bei einer Rotverschiebung von z = 1,69 (blau) und z = 7,5 (rot) am stärksten ist. Eine Skala gibt die scheinbare Ausdehnung am Himmel innerhalb des südlichen Sternbilds Bildhauer an.

Aus der Kombination von Radius und Geschwindigkeit ermittelte die Gruppe zunächst eine im Emissionsbereich eingeschlossene Masse von 5,6 Millionen Sonnenmassen. Das ist allerdings nur eine Untergrenze für das Schwarze Loch in Abell 2744‑QSO1, da bei dieser Methode noch nicht die Neigung der rotierenden Scheibe berücksichtigt wird – Letztere bestimmte das Team mithilfe eines dreidimensionalen kinematischen Modells auf etwa 52 Grad.

Die Beobachtungen entsprechen einer Rotationskurve, die ausgezeichnet mit einer Kepler-Rotation um eine Punktmasse von rund 50 Millionen Sonnenmassen erklärt werden kann. Ein Schwarzes Loch dieser Masse weist »nur« einen Radius von etwa 150 Millionen Kilometern auf. Das entspricht ziemlich genau dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne – bei einem Durchmesser des betrachteten Bereichs von vielen Lichtjahren eine geradezu vernachlässigbare Ausdehnung. Modelle, die größere Strukturen wie dichte Sternhaufen, Gaswolken oder Dunkle-Materie-Halos einbeziehen, können die hohen Geschwindigkeiten innerhalb der kompakten Region dagegen nicht reproduzieren. Die übereinstimmende Größenordnung der Masse aus der direkten Messung mit den bisherigen Messmethoden bestätigt demnach deren Verlässlichkeit auch bei hohen Rotverschiebungen – und Abell 2744-QSO1 zweifelsfrei als ein LRD mit einem Schwarzen Loch von circa 50 Millionen Sonnenmassen in seinem Zentrum.

Ein ungewöhnliches Machtverhältnis

Die vielleicht spektakulärste Erkenntnis zu Abell 2744-QSO1 ist allerdings eine andere: So lässt die ermittelte Masse des Schwarzen Lochs kaum Raum für Sterne. Das Verhältnis zwischen der Masse des zentralen Schwarzen Lochs und der sichtbaren Materie – rund 20 Millionen Sonnenmassen – liegt bei über zwei. Das ist um den Faktor 1000 höher, als es bei aktiven Galaxien im lokalen Universum beobachtet wird. Demnach dominiert das Schwarze Loch in Abell 2744-QSO1 seine Heimatgalaxie.

Die Ergebnisse stützen die Annahme, dass extrem massereiche Schwarze Löcher kurz nach dem Urknall kaum durch das langsame Wachstum aus stellaren Überresten entstanden sein können. Stattdessen deutet die Beobachtung auf einen direkten Kollaps von massereichen Gaswolken oder auf die Verschmelzung primordialer Schwarzer Löcher hin.

Dafür spricht auch die extrem niedrige Metallizität im Umfeld des Schwarzen Lochs: Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium finden sich hier praktisch nicht. Das Gas konnte noch nicht durch Generationen von Supernova-Explosionen mit – astronomisch gesprochen – Metallen »verunreinigt« werden. Daher muss das Schwarze Loch in einer früheren Phase wesentlich schneller gewachsen sein – deutlich rasanter auch als seine Heimatgalaxie. Abell 2744-QSO1 erlaubt damit einen seltenen Blick auf einen frühen »Saatkeim« extrem massereicher Schwarzer Löcher, noch bevor dieser von einer großen Galaxie umgeben wurde.