Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2022 sorgen die kleinen roten Punkte (englisch: little red dots, LRDs) in astronomischen Aufnahmen immer wieder für Aufsehen. Ihre Existenz im frühen Universum bei kosmologischen Rotverschiebungen jenseits von z = 2, was einer Epoche von etwa 3,3 Milliarden Jahren nach dem Urknall entspricht, stellt Astronomen immer noch vor Herausforderungen. Als wahrscheinlichste Erklärung gilt, dass es sich um junge, heranwachsende extrem massereiche Schwarze Löcher handelt, die von einem dichten und optisch kaum durchlässigen Gaskokon eingehüllt sind.

Einem Team um Karina Caputi von der University of Groningen gelang es, einen möglichen Vorläufer eines LRDs zu beobachten. Die Arbeit ist momentan noch ausschließlich im Preprint-Server ArXiv veröffentlicht, erscheint aber zu einem späteren Zeitpunkt im Fachmagazin »The Astrophysical Journal«. Eine andere Forschungsgruppe um Riku Kuze von der Universität von Kyoto in Japan vermutet außerdem, dass von solchen Systemen auch hochenergetische kosmische Neutrinos freigesetzt werden sollten, wie sie im Magazin »Physical Review D« berichtet. Möglicherweise könnten die LRDs sogar für einen beträchtlichen Teil des beobachteten diffusen, kosmischen Neutrinohintergrunds verantwortlich sein.

Ein LRD nimmt Form an

Bei dem neu entdeckten Objekt handelt es sich um eine junge Starburst-Galaxie – jene Welteninseln, die in ihrem dichten Inneren hohe Sternentstehungsraten aufweisen. Die als Pseudo-LRD-NOM bezeichnete Galaxie liegt bei einer kosmologischen Rotverschiebung von z = 5,96. Damit sehen wir die Galaxie, wie sie rund eine Milliarde Jahre nach dem Urknall aussah. Ihr Licht wurde durch den Gravitationslinseneffekt des im Vordergrund liegenden Galaxienhaufens Abell 370 um das 16-Fache verstärkt. Wie die LRDs erscheint die ferne Galaxie in den Aufnahmen des JWST rot und punktförmig – trotz des verzerrenden Effekts der Gravitationslinse. Das lässt auf eine sehr kleine räumliche Ausdehnung schließen.

Im Spektrum der Galaxie zeigen sich starke und vor allem auch breite Wasserstofflinien (siehe »Auf dem Weg zum Little Red Dot«). Der Dopplereffekt verbreitert die Spektrallinien, denn die emittierenden Atome bewegen sich innerhalb der Quelle aus Sicht des Beobachters mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf ihn zu oder von ihm weg. Dadurch verschieben sich die Wellenlängen der emittierten Strahlung nach links und nach rechts von der Ruhewellenlänge. Die große Linienbreite weist auf eine äußerst schnelle Gasbewegung hin und damit auf ein massereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Galaxie. Dessen Masse schätzt die Forschungsgruppe auf etwa 5,6 Millionen Sonnenmassen.

Die starke Emission im Bereich der H-alpha-Linie ist gleichzeitig der Grund für das Präfix »Pseudo-LRD«, denn sie ist es, die bei der jungen Galaxie maßgeblich für das rötliche Erscheinungsbild in den Filtern des JWST verantwortlich ist. Bei »echten« LRDs dagegen ist es neben der kosmologischen Rotverschiebung – die gilt für beide LRD-Formen – vor allem die dicke, optisch dichte Gashülle um das Schwarze Loch, welche die Strahlung rötet. Diese scheint bei Pseudo-LRD-NOM noch nicht vollständig entwickelt zu sein.

Anders als bei LRDs fehlen im Spektrum der Galaxie zudem Linien von chemischen Elementen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind. In der Astronomie werden diese als Metalle bezeichnet. Für eine sternbildende Galaxie ist das sehr ungewöhnlich: Metalle entstehen üblicherweise, wenn massereiche Sterne als Supernovae vergehen und ihre Elemente ins interstellare Medium abgeben. Im System von Pseudo-LRD-NOM (englisch: pseudo little red dot with no metal lines) blieb offenbar noch nicht genügend Zeit, damit Sterne ausreichend schwere Elemente produzieren und verteilen konnten. Das Alter der Galaxie schätzt das Team daher auf nur etwa zehn Millionen Jahre – sie befindet sich also noch in ihrer Entstehungsphase.

Ein Gigant in der Kinderstube

Umso überraschender ist die Masse des zentralen Schwarzen Lochs. Zum Vergleich: Dasjenige im Zentrum unserer Galaxis hat geringfügig weniger, etwa 4,3 Millionen Sonnenmassen, befindet sich jedoch in einer viel späteren Entwicklungsepoche des Universums. Die mit Pseudo-LRD-NOM assoziierte Lochmasse ist enorm für eine derart junge Galaxie. Offenbar wächst das Schwarze Loch schneller, als sich die umgebende Galaxie entwickelt – typisch für einen LRD. Mit fortschreitender Entwicklung könnte Pseudo-LRD-NOM metallreicher werden und das Schwarze Loch in einen optisch dichten, also »kaum lichtdurchlässigen«, Gaskokon eingehüllt werden, der die Strahlung des Akkretionsflusses um das Schwarze Loch einfängt. Das würde der Galaxie wiederum die für LRDs charakteristische tiefrote Erscheinung im Infrarotbereich verleihen.

Quelle kosmischer Geisterteilchen

Ihre kompakte Struktur macht LRDs außerdem zu aussichtsreichen Kandidaten für den Ursprung hochenergetischer Neutrinos. Der Forschungsgruppe um Kuze zufolge herrschen in diesen Objekten nahezu ideale Bedingungen für die Produktion dieser Teilchen.

Im extremen Umfeld des Schwarzen Lochs können sich demnach Materiejets ausbilden, in denen elektrisch geladene Teilchen entlang der Rotationsachse des Schwarzen Lochs fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Da diese Jets in der dichten Gashülle »vergraben« sind, kommt es zu Kollisionen zwischen hochenergetischen Teilchen und Photonen. In einem inelastischen Streuprozess entstehen dabei neben sekundären Teilchen wie elektrisch neutralen Pionen auch Neutrinos, ein Prozess, der auch Photopionen-Produktion genannt wird. Gleichzeitig wird zudem energiereiche Gammastrahlung freigesetzt. LRDs müssten daher ebenfalls im Gammabereich hell leuchten – in entsprechenden Beobachtungen konnte das jedoch nicht bestätigt werden.

Gefängnis für hochenergetische Strahlung

Die Lösung liefert wiederum der dichte Gaskokon: Neutrinos wechselwirken kaum mit Materie und können daher die dichte Gashülle ungehindert passieren. Die hochenergetische Gammastrahlung wird dagegen so lange absorbiert und wieder neu emittiert, bis sie nur noch als niederenergetische thermische Infrarotstrahlung an der Oberfläche der Gashülle austritt. Durch den Breit-Wheeler-Prozess werden zudem ständig Gammaphotonen in Elektronen und Positronen umgewandelt. Dabei handelt es sich um eine Variante der Paarbildung und den Umkehrprozess der Annihilation. Aufgrund der enormen Dichte an Gas und Photonen (Lichtteilchen) im Zentrum der LRDs wird die Gammastrahlung damit vollständig in Wärme oder Materie umgewandelt. So bleiben diese Objekte im Infrarot sichtbar, zeigen aber keine nennenswerte Gamma- oder Röntgenstrahlung.

Hinweise auf einen ähnlichen Vorgang liefert eine ferne Galaxie: Ein im Jahr 2021 mit dem IceCube-Detektor in der Antarktis registriertes Neutrino konnte auf eine kompakte und staubreiche Galaxie aus dem frühen Universum zurückgeführt werden. In ihrem dichten Zentrum bildet sich eine Vielzahl neuer Sterne, deren starke Winde große Mengen komischer Strahlung freisetzen, hauptsächlich Protonen. Kollidieren diese mit dem interstellaren Medium, entstehen wiederum Neutrinos und Gammastrahlung – ähnlich wie es auch für die LRDs vermutet wird (siehe »Verborgene Neutrinoquelle«). Den Berechnungen des Teams um Kuze zufolge könnten LRDs bis zu 30 Prozent der auf der Erde gemessenen kosmischen hochenergetischen Neutrinos im Tera- bis Petaelektronenvoltbereich (10¹² bis 10¹⁵ Elektronenvolt) ausmachen. Damit könnten sie einen bedeutenden Beitrag zum diffusen kosmischen Neutrinohintergrund leisten – der Gesamtheit aller hochenergetischen Neutrinos, die aus zahlreichen Quellen im Universum die Erde erreichen. Das erscheint plausibel, da die kleinen roten Punkte im frühen Universum zwischen z = 4 und 7 sehr häufig vorkommen.

»Diese kleinen roten Galaxien könnten aufgrund ihrer großen Zahl einen Teil der beobachteten hochenergetischen Neutrinos erklären«Riku Kuze, Astronom

Die Sprache der Neutrinos

Ob eingefangene Neutrinos tatsächlich von LRDs stammen, könnte sich künftig auch anhand ihrer unterschiedlichen Arten überprüfen lassen. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik gibt es drei Neutrinosorten: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos, die auch alle experimentell nachgewiesen wurden.

Durch die Teilchenkollisionen im dichten Gaskokon des LRDs entstehen dort hochenergetische Myonen, die an den niederenergetischeren Photonen gestreut werden. Dabei geben sie einen Großteil ihrer Energie an diese ab – ein Prozess, der auch als inverse Compton-Streuung oder Comptonisierung bezeichnet wird. Für Myonen mit Energien von mehr als 10¹⁵ Elektronenvolt erfolgt diese »Inverse-Compton-Kühlung« so effizient, dass sie schneller Energie verlieren, als sie in hochenergetische Neutrinos zerfallen können. Da das »abgebremste« Myon nun viel weniger Energie besitzt als zu Beginn, produziert es nur noch niederenergetische Neutrinos. Die hochenergetischen, die es normalerweise direkt nach seiner Entstehung produziert hätte, fehlen dann im Gesamtspektrum des beobachteten Neutrinohintergrunds. Man spricht hierbei auch davon, dass der Myonenzerfall unterdrückt (englisch: quenched) wird.

Auf diese Weise verändert sich das Mischungsverhältnis der Neutrinosorten auf eine charakteristische Art. Diese Signatur könnte künftig ein überprüfbares Indiz für das LRD-Szenario liefern – etwa mit leistungsfähigeren Detektoren wie IceCube-Gen2, dem Nachfolger von IceCube.

So bleiben die LRDs eines der fesselndsten Rätsel der modernen Astronomie. Immer wieder fordern sie unser bisheriges Verständnis von den Prozessen im frühen Universum grundlegend heraus. Ob Pseudo-LRD-NOM tatsächlich ein Vorläufer der Little Red Dots ist, müssen künftige Beobachtungen erst noch bestätigen. Sollte sich die Vermutung bewahrheiten, könnte das erstmals einen direkten Einblick in die frühe Entstehungsphase dieser rätselhaften Objekte ermöglichen. Dass sie gleichzeitig auch noch die Diskrepanz zwischen den kosmischen Geisterteilchen und der Menge an Gammastrahlung erklären könnten, fügt sich zu einem stimmigen Gesamtbild.