Astronomen entdecken völlig neuen Objekttyp – ein Schwarzes Loch, das wie ein Stern aussieht

Ein Schwarzes Loch im frühen Universum steckt offenbar in einer riesigen Gashülle. Es besitzt Eigenschaften, die Astronomen so noch nicht kannten.

Ein Schwarzes Loch aus der Frühzeit des Universums gibt Astronomen Rätsel auf. Es steckt offenbar in einer extrem dichten Hülle aus Wasserstoff und erzeugt eine Lichtsignatur, die weder zu gewöhnlichen Sternen noch zu bekannten aktiven Galaxienkernen passt. Beobachtet wurde das Objekt rund 660 Millionen Jahre nach dem Urknall. Damit könnte es einen seltenen Blick auf jene Phase ermöglichen, in der die ersten großen Schwarzen Löcher schnell heranwuchsen.

Untersucht hat das internationale Team um das Massachusetts Institute of Technology (MIT) die Quelle mit dem James-Webb-Weltraumteleskop. Die Studie erschien im Fachjournal Nature. Das Objekt trägt die Bezeichnung MoM-BH*-1 und fiel in den Aufnahmen zunächst als ungewöhnlich roter Punkt auf.

Spektralmessungen lieferten dann die eigentliche Überraschung: Zwischen etwa drei und vier Mikrometern sank der gemessene Lichtfluss um mehr als das Zwanzigfache. Einen derart ausgeprägten sogenannten Balmer-Sprung kennen Astronomen bislang von keinem vergleichbaren Objekt.

Das Schwarze Loch übertrifft deutlich die Grenzen normaler Sterne

Der Balmer-Sprung entsteht, wenn Wasserstoff bestimmte Bereiche des Lichts besonders stark absorbiert. Bei gewöhnlichen Sternpopulationen erreicht seine Stärke nach gängigen Modellen höchstens einen Wert von etwa 3. Selbst eine Ansammlung heißer A-Sterne käme auf weniger als 5. Bei MoM-BH*-1 ermittelten die Forscher dagegen 7,7. Eine normale Sternpopulation kann dieses Spektrum daher kaum erklären.

Vor den Beobachtungen mit James Webb waren derart ausgeprägte Balmer-Absorptionen nur bei wenigen Quellen mit supermassereichen Schwarzen Löchern bekannt. „Kein bekanntes Objekt, ob aktiver Galaxienkern oder nicht, besitzt den außergewöhnlichen Balmer-Sprung, den wir bei dieser Quelle beobachten“, schreiben die Autoren.

Auch im Licht des Objekts fanden die Astronomen ungewöhnliche Spuren von Wasserstoff. Sie sprechen für extrem dichtes Gas: Mindestens rund eine Milliarde Wasserstoffatome müssten sich auf einem Kubikzentimeter drängen.

Eine riesige Wasserstoffhülle umgibt das Schwarze Loch

Um herauszufinden, welche Umgebung solche Signale erzeugen kann, verglichen die Forscher fast eine Million Modellvarianten. Am besten zu den gesamten Messdaten passte ein Schwarzes Loch in einer noch dichteren Gashülle. In diesem Modell kommen auf einen Kubikzentimeter rund 100 Milliarden Wasserstoffteilchen.

Das Gas bewegt sich turbulent mit etwa 500 Kilometern pro Sekunde. Die umgebende Hülle könnte sich über ungefähr 10 bis 100 Astronomische Einheiten erstrecken. Eine Astronomische Einheit entspricht dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne. Damit könnte die Wasserstoffhülle Ausmaße erreichen, die mit unserem Sonnensystem vergleichbar sind. Im Inneren vermuten die Forscher ein Schwarzes Loch mit etwa einer bis zehn Millionen Sonnenmassen.

Auch die auffällige rote Farbe lässt sich damit erklären. Staub spielt nach den Berechnungen nur eine geringe Rolle. Stattdessen verändert die dichte Gashülle das Licht des Schwarzen Lochs. Hinweise auf dessen Aktivität liefern mögliche Helligkeitsschwankungen: Innerhalb von 56 Tagen nahm die Helligkeit um rund 30 Prozent zu. Die Forscher bewerten diesen Befund vorsichtig, weil unterschiedliche Instrumente zum Einsatz kamen. Offenbar liefert das Schwarze Loch zudem fast die gesamte beobachtete Strahlung und überstrahlt seine schwache Wirtsgalaxie.

Das Schwarze Loch könnte die „Little Red Dots“ erklären

MoM-BH*-1 könnte außerdem helfen, eine andere Auffälligkeit im frühen Universum zu verstehen. James Webb entdeckt dort immer wieder kompakte rote Quellen, die Astronomen als „Little Red Dots“ bezeichnen. Ihre Spektren passen bislang weder sauber zu normalen Galaxien noch zu klassischen aktiven Galaxienkernen. Die Forscher kombinierten deshalb das Licht von MoM-BH*-1 mit dem einer jungen, sternbildenden Galaxie. Das Ergebnis ähnelt auffallend dem Spektrum typischer Little Red Dots.

Auch die Umgebung von MoM-BH*-1 liefert Hinweise auf seine Entwicklung. Seine schwache Wirtsgalaxie liegt nur rund 60 Kiloparsec von einer massereicheren Galaxie entfernt. Beide könnten nach den Berechnungen in etwa 100 Millionen Jahren miteinander verschmelzen.

Offen bleibt, wie solche von Gas eingehüllten Schwarzen Löcher überhaupt entstehen. Die Autoren halten es für möglich, dass MoM-BH*-1 eine Phase extrem schnellen Wachstums durchläuft oder gerade hinter sich hat. Unter den ungewöhnlichen Bedingungen könnte das Schwarze Loch zeitweise Materie weit oberhalb der üblichen Eddington-Grenze aufgenommen haben.

Kurz zusammengefasst:

MoM-BH*-1 könnte helfen, die rätselhaften „Little Red Dots“ in Aufnahmen des James-Webb-Teleskops zu erklären.
Ein Schwarzes Loch rund 660 Millionen Jahre nach dem Urknall steckt wahrscheinlich in einer extrem dichten Wasserstoffhülle.
Seine Lichtsignatur unterscheidet sich deutlich von normalen Sternen und bekannten aktiven Galaxienkernen.

Übrigens: James Webb hat auch ein nahezu unsichtbares Schwarzes Loch aus dem jungen Universum vermessen, das rund sechs Milliarden Sonnenmassen auf die Waage bringt. Seine Schwerkraft verriet sich erst durch die Bewegungen umliegender Sterne. Mehr dazu in unserem Artikel.