Fütterung der ersten supermassereichen schwarzen Löcher

Supermassereiche schwarze Löcher in den Zentren von Galaxien finden sich zunehmend in Entfernungen, die einem Alter des Universums von nur wenigen hundert Millionen Jahren entsprechen. Eine Gruppe von Astronomen unter der Leitung von Emanuele Paolo Farina vom MPI für Astronomie in Heidelberg hat jetzt wichtige Erkennt­nisse darüber gewonnen, wie diese Objekte so schnell anwachsen konnten. In der Umgebung von 12 von 31 unter­suchten aktiven schwarzen Löchern und ihren Wirts­galaxien haben sie ausgedehnte Wasserstoff­wolken nachgewiesen, die ausreichend Nahrung liefern.

Die ersten Quasare existierten bereits wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall. Wie diese schwarzen Löcher jedoch in der kurzen Zeit zu solch großen Massen anwachsen konnten, ist ein großes Rätsel. Zudem bilden die Wirts­galaxien dieser Quasare neue Sterne mit einer hundert Mal höheren Rate als die Milch­straße und andere nahe Galaxien. Simula­tionen wie Illustris TNG lassen Astronomen vermuten, dass dafür ständig enorme Mengen an Gas aus dem inter­galak­tischen Medium nach­ge­liefert werden, so dass die Wirts­galaxien der jungen Quasare in Wolken aus Wasser­stoff­gas ein­ge­hüllt sein sollten. Einer Gruppe von Wissen­schaftlern unter der Leitung von Alyssa Drake vom MPI für Astronomie gelang jüngste der Nachweis nennens­werter Gasmengen um vier ferne Quasare.

Im Rahmen des Projekts REQUIEM – Reioni­za­tion Epoch Quasar Investi­ga­tion with MUSE – haben Astronomen jetzt systema­tische Studie nach Anzeichen von Gaswolken in der Nähe der ersten Quasare gesucht. Eine Auswertung der ersten 31 unter­suchten Objekte führte in 12 Fällen zum Nach­weis von ausge­dehnten und über­raschend dichten Wasser­stoff­wolken. Sie alle umhüllen die Wirts­galaxien und sind gravitativ an sie gebunden. Die Menge an Gas reicht aus, um die Aktivität der Quasare sowie die vermehrte Stern­ent­stehung zu füttern.

Die Astronomen entdeckten die Wasserstoff­wolken durch ein charakte­ris­tisches Leuchten im UV-Licht. „Als wahr­schein­lichste Erklärung für das leuchtende Gas dient der Mecha­nismus der Fluores­zenz“, erläutert Projekt-Initiator Emanuele Paolo Farina vom MPI für Astronomie. „Der Wasser­stoff wandelt dabei die energie­reiche Strahlung des Quasars in Licht mit einer bestimmten Wellen­länge um, die sich durch ein Glimmen bemerkbar macht.“ Aufgrund der großen Entfernung und der damit verbun­denen kosmischen Rot­ver­schiebung erscheint das Leuchten in den irdischen Tele­skopen als rotes Licht.

Detektiert wurden diese Wolken durch den Spektro­grafen MUSE – Multi Unit Spectro­scopic Explorer – am Very Large Telescope der Europä­ischen Süd­stern­warte ESO in Chile. Neben der räumlichen Verteilung des Signals des Wasser­stoffs misst MUSE zudem die Geschwin­dig­keit des Gases entlang der Sicht­linie. Aus der Analyse schließen die Wissen­schaftler, dass das Gas radial zu den Zentren der Galaxien zu strömen scheint und so die schwarzen Löcher füttert. „Die Entdeckung dieser aus­ge­dehnten Wasser­stoff­gas­wolken ist ein wichtiger Schritt hin zum Verständnis, wie diese schwarzen Löcher inner­halb von wenigen hundert Millionen Jahren seit den ersten Sternen wachsen konnten“, so Farina.

„Wir beginnen mit den aktuellen Studien gerade erst zu erforschen, wie sich die ersten super­masse­reichen schwarzen Löcher so schnell entwickeln konnten“, ergänzt Drake. „Doch die neuen Instrumente wie MUSE sowie das zukünftige James Webb Space Telescope helfen uns dabei, diese spannenden Rätsel zu lösen.“

MPIA / RK

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen
  M P. Farina et al.: The REQUIEM Survey I: A Search for Extended Ly–Alpha Nebular Emission Around 31 z > 5.7 Quasars, Astroph. J. 887, 196 (2019); DOI: 10.3847/1538-4357/ab5847
  A. B. Drake et al.: Lyα Halos around z ~ 6 Quasars, Astroph. J. 881, 131 (2019); DOI: 10.3847/1538-4357/ab2984
• Supermassive Black Holes and Nuclear Clusters in Galaxies, Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg