Das Urknallmodell unter Zeitdruck

Quasare gehören zu den hellsten Objekten im Universum und sind deshalb auch über größte Distanzen auffindbar. Ein Quasar ist das aktive Zentrum einer Galaxie, bestehend aus einem Schwarzen Loch, welches von einer Gasscheibe umgeben ist. Durch die Gravitations-Anziehung kommt das Gas dem Schwarzen Loch immer näher und heizt sich dabei auf. Dadurch sendet es Licht unterschiedlicher Wellenlänge aus, das so hell sein kann, dass es das Licht aller Sterne in der Galaxie um ein Vielfaches übertrifft. Einige Quasare sind zusätzlich von zwei entgegengesetzten Jets begleitet, durch welche Strahlung und Materie in die Umgebung hinausgeschleudert werden.

Abb. 1: Künstlerische Darstellung des Quasars J0313-1806 (NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva, CC BY 4.0)

Im Januar 2021 kündigte ein internationales Team von Astronomen an, dass es mit dem Quasar J0313−1806 den bislang am weitesten entfernten Quasar entdeckt habe (Wang et al. 2021). Dabei wurde die Entfernung aus der Rotverschiebung des Lichtspektrums abgeleitet, welche für kosmologische Objekte mit zunehmender Distanz anwächst. Im Standardmodell der Kosmologie muss das Licht bereits kurz nach dem Urknall ausgesandt worden sein, damit es genügend Zeit zur Verfügung hatte, um die riesige Distanz zu unserer Milchstraße zurückzulegen. Die Autoren geben an, dass das beobachtete Licht den Quasar nur 630 Millionen Jahre nach dem Urknall und damit um 20 Millionen Jahre früher als den bislang entferntesten Quasar verlassen haben muss.

Mit Hilfe des Lichtspektrums konnten die Forscher grob abschätzen, wie schwer das Schwarze Loch des Quasars J0313–1806 damals gewesen sein muss. Überraschenderweise stellte es sich als sehr massereich heraus, und zwar 1,6 ± 0,4 Milliarden Mal schwerer als die Sonne. Dies wirft die Frage auf, wie ein solch massereiches Schwarzes Loch in vergleichsweise kurzen 630 Millionen Jahren entstehen konnte. Aus der kosmischen Hintergrundstrahlung schließt man nämlich, dass die Materie kurz nach dem Urknall extrem gleichförmig verteilt gewesen sein muss. Außerdem ist bekannt, dass Sterne und Schwarze Löcher nicht beliebig schnell wachsen können (sogenannte Eddington-Grenze). Je mehr Materie diese Objekte an sich ziehen, desto heller strahlen sie und desto mehr verdrängt die Strahlung das zum Wachstum benötigte Gas aus der Umgebung. Selbst wenn das Schwarze Loch mit maximaler Geschwindigkeit gewachsen wäre, hätte der Quasar zur Zeit der ersten Sterne bereits eine Masse von über 10.000 Sonnenmassen haben müssen. Dieser Wert liegt aber jenseits der maximalen Masse der damaligen Schwarzen Löcher, bei denen man davon ausgeht, dass sie durch den Kollaps der ersten Sterne entstanden sind.

Welche Erklärungen gibt es dafür, dass bereits 630 Millionen Jahre nach dem Urknall ein so massereicher Quasar existieren haben könnte? Gegenüber ScienceNews schlug Xiaohui Fan, ein Mitautor der Studie, zwei Möglichkeiten vor (Temming 2021). Entweder können Schwarze Löcher viel schneller wachsen als bisher gedacht oder es gibt einen anderen Mechanismus, durch den Schwarze Löcher im frühen Universum entstanden sein könnten. Dies könnte so abgelaufen sein, dass Schwarze Löcher nicht nur aus dem Kollaps von Sternen, sondern direkt aus dem Kollaps von Gas und Dunkler Materie entsprungen sein könnten (Begelman et al. 2006). Gemäß Fan sind beide Möglichkeiten denkbar, aber keine konnte bisher nachgewiesen werden. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, dass der Quasar nicht durch natürliche Prozesse, sondern auf übernatürliche Weise erschaffen worden ist.

Wie könnte sich die Frage nach der Entstehung der ersten Quasare weiter entwickeln? Es ist davon auszugehen, dass in Zukunft dank neuer Technik noch weiter entfernte Quasare entdeckt werden. Nach dem Urknallmodell sollten diese umso masseärmer sein, je weiter sie entfernt sind. Es wird spannend sein zu beobachten, ob sich diese Erwartung erfüllen wird. Bei der Frage nach den Entstehungsmechanismen ist nicht zu erwarten, bald mehr Gewissheit zu haben. Da die vorgeschlagenen Mechanismen lediglich theoretisch oder mit Simulationen, jedoch nicht mit Laborexperimenten untersucht werden können, wird immer eine Unsicherheit bestehen bleiben. Im besten Fall könnten Beobachtungen den einen oder anderen Mechanismus mehr oder weniger plausibel machen.

P. Trüb

[Begelman MC, Volonteri M, & Rees MJ (2006) Formation of Supermassive Black Holes by Direct Collapse in Pregalactic Halos. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 370, 289–298. doi:10.1111/j.1365-2966.2006.10467.x • Temming M (2021) The most ancient supermassive black hole is bafflingly big. https://www.sciencenews.org/article/most-ancient-supermassive-black-hole-quasar-bafflingly-big • Wang F, Yang J et al. (2021) A Luminous Quasar at Redshift 7.642. The Astrophysical Journal Letters 907, L1. doi:10.3847/2041-8213/abd8c6]