Eine der wissenschaftlichen Hauptaufgaben des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) besteht darin, tiefer zurück in die kosmische Vergangenheit zu blicken als jemals zuvor. So verwundert es nicht, dass es dort, nur wenige Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall, auf etwas gestoßen ist, was Astronominnen und Astronomen noch nie zuvor gesehen hatten: kleine rote Punkte. »Little red dots«, kurz LRDs, nennen Forschende jene Objekte, die auf Aufnahmen des JWST aussehen wie – nun ja – kleine rote Punkte. Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2022 herrscht eine rege wissenschaftliche Debatte darüber, worum es sich bei ihnen handeln könnte. Nun liefert ein Forscherteam im Fachmagazin »Nature« eine neue Erklärung, was sich hinter den LRDs verbirgt – im wahrsten Sinn des Wortes. Demnach sind die kleinen roten Punkte extrem massereiche Schwarze Löcher, die in eine dichte Hülle aus ionisiertem Gas eingebettet sind. Dieser Gaskokon könnte viele der bislang rätselhaften Eigenschaften der LRDs erklären und dafür gesorgt haben, dass ihre Masse bislang als sehr viel höher eingeschätzt wurde, als sie wirklich ist. 

Es ist vor allem diese vermeintlich zu große Masse der »little red dots«, bei der Klärungsbedarf besteht. In der Geschichte des Universums von rund 13,8 Milliarden Jahren seit dem Urknall bis heute lassen sich die LRDs nur in seiner Anfangsphase nachweisen, von rund 600 Millionen Jahren bis 1,6 Milliarden Jahren nach dem Urknall. Inzwischen mag das Licht der kleinen roten Punkte aufgrund der Ausdehnung des Universums und der damit einhergehenden kosmologischen Rotverschiebung bis an die Grenzen dessen verschoben worden sein, was das James-Webb-Weltraumteleskop noch beobachten kann. Aber um überhaupt heutzutage noch beobachtbar zu sein, müssen die kleinen roten Punkte sehr leuchtstark gewesen sein. 

Eine Vermutung lautet, dass es sich bei den LRDs um Galaxien voller leuchtender Sterne handelt. Um es auf die nötige Leuchtkraft zu bringen, müssten diese Galaxien jedoch bereits in der Frühzeit des Universums ähnlich »ausgereift« gewesen sein wie das Milchstraßensystem heutzutage und es auf eine ähnliche Masse an leuchtenden Sternen gebracht haben. Das ist nicht nur schwer zu vereinen mit der Tatsache, dass es sich bei den LRDs um kompakte, also kleine Strahlungsquellen handelt. Diese jungen Galaxien wären darüber hinaus viel zu früh viel zu massereich, als dass sie mit dem derzeitigen Verständnis von der Entwicklung des Universums und seiner Strukturen erklärbar wären. 

Ein Gegenvorschlag sieht in den kleinen roten Punkten wachsende Schwarze Löcher in der Frühzeit des Universums. Somit wären die LRDs die Vorläufer jener extrem massereichen Schwarzen Löcher mit Millionen bis Milliarden von Sonnenmassen, die sich im heutigen Universum in den Zentren von Galaxien befinden. Da nur noch wenig Materie in sie hineinstürzt, sind sie meist völlig unauffällig. Doch gerade in den früheren Zeiten des Universums fungieren extrem massereiche Schwarze Löcher als Antrieb für sogenannte aktive galaktische Kerne, kurz AGN (von englisch: active galactic nucleus). Stürzen große Mengen an Gas in ein Schwarzes Loch, bildet sich darum eine Akkretionsscheibe. Das Gas wird dabei so stark erhitzt, dass es Strahlung über das gesamte elektromagnetische Spektrum abgibt und hell genug aufleuchtet, um auch noch aus Entfernungen von Milliarden von Lichtjahren sichtbar zu sein. 

Zunächst scheint das Spektrum der kleinen roten Punkte die Vermutung zu bestätigen, dass es sich dabei um aktive Galaxienkerne handelt. Darauf deuten unter anderem die Emissionslinien von Wasserstoff hin, die entstehen, wenn Wasserstoffgas energetisch angeregt wird. Im Fall der LRDs sind diese Emissionslinien besonders breit. Bei aktiven galaktischen Kernen kommt eine solche Linienverbreiterung durch den Dopplereffekt zustande. Da die Akkretionsscheibe um das Schwarze Loch rotiert, bewegt sich ein Teil des angeregten Wasserstoffgases auf uns zu, ein Teil von uns weg. Je breiter die resultierende Emissionslinie, desto schneller ist das angeregte Gas unterwegs. Für die bei LRDs gemessenen Geschwindigkeiten von über 1000 Kilometern pro Sekunde sorgen kann eigentlich nur ein extrem massereiches Schwarzes Loch. 

Doch bei genauerem Hinsehen erwiesen sich die so ermittelten Geschwindigkeiten als problematisch für das AGN-Szenario. Forschende können mit ihnen auf die Masse des Schwarzen Lochs schließen – und wieder einmal erwiesen sich die LRDs als zu massereich: Demnach würde die Masse der Schwarzen Löcher in etwa so groß sein wie die ihrer ganzen restlichen Heimatgalaxie. Und schließlich fehlt den kleinen roten Punkten das gewisse Etwas, das für alle anderen bekannten aktiven Galaxienkerne charakteristisch ist: Radio- und Röntgenstrahlung. 

Somit verwundert es nicht, dass Forschende in den letzten Jahren auch exotischere Erklärungen vorgeschlagen haben, worum es sich bei den »little red dots« handeln könnte: hypothetische »Schwarzloch-Sterne« zum Beispiel, extrem massereiche Schwarze Löcher, die von einer Hülle ähnlich wie die äußeren Schichten eines Sterns umgeben sind. Oder ebenfalls hypothetische Quasi-Sterne, eine Art Saatkörner, aus denen später extrem massereiche Schwarze Löcher überhaupt erst entstehen könnten. Oder noch hypothetischer: ein einzelner Stern der ersten Generation, der es ganz allein auf eine Masse von einer Million Sonnenmassen bringt. 

In der nun veröffentlichten Studie hat ein Team um Vadim Rusakov von der University of Manchester die Spektrallinien von zwölf »little red dots« genauer untersucht, um die Hypothese zu überprüfen, dass es sich bei ihnen doch um eine Art aktiven galaktischen Kern handelt. Dafür analysierte es die Form der sogenannten H-alpha-Linie von angeregtem Wasserstoff mit einer Wellenlänge von 656,28 Nanometern. Würde die Linienverbreiterung dieser Linie lediglich aufgrund einer rotierenden Akkretionsscheibe zustande kommen, müsste sie einer gaußschen Verteilung folgen. Die Wissenschaftler verglichen dieses Szenario mit dem Fall, dass die Strahlungsquelle von einem dichten Kokon aus ionisiertem Gas umgeben ist. In diesem Fall würden die Photonen wiederholt an den Elektronen im ionisierten Gas gestreut werden. Die daraus resultierende Linienverbreitung würde keiner Glockenkurve, sondern einer um das Maximum beidseitig abfallenden Exponentialkurve folgen. 

Das Ergebnis: In allen von den Forschern untersuchten Fällen passte die Exponentialkurve besser zu den beobachteten H-alpha-Linien als eine gaußsche Verteilung. Mit einer Leuchtkraft von Milliarden von Sonnen und einem Durchmesser von weniger als einem Lichtjahr deutet das laut Rusakov und seinen Kollegen darauf hin, dass es sich bei den kleinen roten Punkten tatsächlich um aktive Galaxienkerne handelt. Eine dichte Hülle aus ionisiertem Gas könnte auch für ihr AGN-untypisches Erscheinungsbild sorgen, da sie die in der Nähe des Schwarzen Lochs erzeugte Radio- und Röntgenstrahlung nicht entweichen ließe. Für Astronomen schiene es daher nur so, als würden die LRDs keine solche Strahlung erzeugen. 

Indem sie die Effekte der Elektronenstreuung auf die Emissionslinie herausrechneten, konnten die Forscher außerdem eine neue Schätzung für die Massen der kleinen roten Punkte abgeben und um mehrere Größenordnungen nach unten korrigieren. Demnach kämen die Schwarzen Löcher im Zentrum der LRDs auf Hunderttausende bis auf zehn Millionen Sonnenmassen. In diesem Massenbereich würden die kleinen roten Punkte nicht mehr das Standardmodell der Kosmologie ins Wanken bringen, sondern sich stattdessen als noch junge aktive Galaxienkerne in die kosmische Entwicklungsgeschichte einreihen.