Webb ortet schlafendes Schwarzes Loch aus frühem Universum

Astronomen ist erstmals eine direkte Massenmessung eines schlummernden Schwarzen Lochs aus dem frühen Universum gelungen. Der Koloss ist etwa sechs Milliarden Mal so schwer wie unsere Sonne und befindet sich im Zentrum der Galaxie MRG-M0138, mehr als zehn Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt.

Das Licht der Galaxie begann seine Reise zu einer Zeit, als das Universum erst etwa drei Milliarden Jahre alt war. Obwohl rund um das Schwarze Loch heute kaum noch leuchtende Materie sichtbar ist, gelang der Nachweis über die Sterne in seiner Nähe: Mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) verfolgten die Forscher ihre Bewegungen nahe dem Galaxienzentrum, die von seiner gewaltigen Schwerkraft beeinflusst werden.

Die neue Studie erschien im Fachjournal Science. Beteiligt waren unter anderem Forscher des University College London und von Carnegie Science in Pasadena. Besonders auffällig ist der Zustand des Schwarzen Lochs: Es wirkt derzeit ruhig und zieht offenbar kaum Gas aus seiner Umgebung an. Deshalb fehlt das grelle Leuchten, das viele aktive Schwarze Löcher sichtbar macht. Solche extrem hellen Galaxienkerne heißen Quasare.

Wie ein Schwarzes Loch ohne Licht auffällt

Viele sehr schwere Schwarze Löcher verraten sich durch ihre Umgebung. Wenn Gas in ihre Nähe gerät, heizt es sich extrem stark auf und strahlt hell. Solche aktiven Galaxienkerne zählen zu den leuchtkräftigsten Objekten im All. Bei MRG-M0138 fehlt dieses helle Signal jedoch. Das zentrale Schwarze Loch ließ sich deshalb nicht über Strahlung aus seiner unmittelbaren Umgebung aufspüren.

Stattdessen rückten die Sterne im inneren Bereich der Galaxie in den Blick. Ihre Bewegungen verraten, wie viel Masse im Zentrum sitzt. Je stärker die Schwerkraft dort wirkt, desto schneller bewegen sich die Sterne. „Die Bestimmung, wie sich Sterne gemeinsam im Kern dieser fernen Galaxie bewegen, hat es uns ermöglicht, die Masse ihres ansonsten nicht nachweisbaren supermassereichen Schwarzen Lochs zu messen“, sagt Richard Ellis vom University College London.

Diese Methode kennen Astronomen aus der näheren Umgebung der Erde. Auch das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße ließ sich über Sternbewegungen vermessen. Für eine Galaxie in dieser Entfernung galt das lange als kaum machbar. Die bislang ähnlich untersuchte Galaxie lag nur rund 700 Millionen Lichtjahre entfernt. MRG-M0138 ist etwa 15-mal weiter weg.

Eine kosmische Lupe vergrößert die ferne Galaxie

Möglich wurde die Messung durch eine selten günstige Konstellation. Zwischen Erde und MRG-M0138 liegt eine weitere Galaxie. Ihre Schwerkraft krümmt das Licht der fernen Galaxie und vergrößert ihr Bild. Astronomen sprechen von einer Gravitationslinse. In diesem Fall wirkte sie wie ein natürliches Teleskop im All.

Das Bild von MRG-M0138 erschien dadurch rund 30-mal größer. Erst diese Vergrößerung machte die inneren Bewegungen der Sterne deutlich genug. Hinzu kamen die empfindlichen Infrarotdaten des James-Webb-Teleskops. Der Nutzen dieser Kombination lässt sich so zusammenfassen:

Webb lieferte genaue Daten aus einer extrem weit entfernten Galaxie.
Die Gravitationslinse verstärkte das schwache Licht aus dem frühen Universum.
Die Sternbewegungen machten die Masse des ruhenden Schwarzen Lochs messbar.

James Webb zeigt die ferne Galaxie MRG-M0138 im Infrarotlicht. In ihr erschien eine Supernova gleich mehrfach – ein Effekt der Gravitationslinse, die auch den Blick auf das verborgene Schwarze Loch erleichtert. © NASA — © NASA James-Webb zeigt die ferne Galaxie MRG-M0138 im Infrarotlicht. In ihr erschien eine Supernova gleich mehrfach – ein Effekt der Gravitationslinse, die auch den Blick auf das verborgene Schwarze Loch erleichtert. © NASA

„Durch die Kombination von JWST-Daten mit Gravitationslinsen konnten wir in den Einflussbereich des Schwarzen Lochs blicken, wo seine Schwerkraft die Geschwindigkeiten der Sterne erhöht“, sagt Andrew Newman von Carnegie Science. „Dies ist eine der besten Techniken, die wir haben, um ein Schwarzes Loch zu wiegen, deshalb waren wir begeistert, sie auf eine viel frühere Phase der kosmischen Geschichte auszuweiten.“

Warum die Galaxie kaum noch neue Sterne bildet

MRG-M0138 wirkt nicht nur im Zentrum ungewöhnlich ruhig. Auch die Galaxie selbst bildet kaum noch neue Sterne. Normalerweise entstehen Sterne aus kaltem Gas. Wenn dieses Gas fehlt, zu heiß wird oder aus der Galaxie entweicht, kommt die Sternentstehung weitgehend zum Erliegen. Dieser Zustand macht das ferne System für Astronomen besonders wertvoll.

Eine mögliche Erklärung liegt in der Vergangenheit des Schwarzen Lochs. Es könnte früher sehr aktiv gewesen sein. Damals strömte vermutlich viel Gas in seine Nähe. Dabei hätte es als heller Quasar geleuchtet und enorme Energiemengen freigesetzt. Diese Energie kann Gas aus einer Galaxie hinausschleudern oder so stark erhitzen, dass daraus keine Sterne mehr entstehen.

Damit geht die Studie einer wichtigen Frage der modernen Astronomie nach: Wie eng hängen das Wachstum von Galaxien und die Entwicklung ihrer Schwarzen Löcher zusammen? In der näheren Umgebung des Universums kennen Forscher eine auffällige Beziehung. Große Galaxien besitzen meist auch besonders schwere Schwarze Löcher in ihrem Zentrum. Wie früh diese Verbindung entstand, ließ sich bislang nur schwer prüfen.

Was das Schwarze Loch über frühe Galaxien verrät

„Indem wir die Machbarkeit einer solchen Technik für Galaxien im frühen Universum demonstrieren, können wir nun eine vollständigere Bestandsaufnahme davon vornehmen, wie sich Schwarze Löcher im Laufe der Zeit entwickeln, und daraus ihre Rolle bei der Entwicklung von Galaxien ableiten“, erklärt Ellis.

Ruhende Schwarze Löcher aus dieser frühen Zeit sind besonders schwer zu finden. Aktive Exemplare fallen durch ihre helle Umgebung eher auf. Ruhende Objekte bleiben dagegen fast verborgen, obwohl sie gewaltige Massen besitzen können. MRG-M0138 erweitert daher den Blick auf eine Gruppe, die bislang nur in wenigen Fällen bekannt ist.

Weitere Beobachtungen mit James-Webb und anderen Weltraumteleskopen sollen nun ähnliche Objekte aufspüren. Die Forscher interessieren sich vor allem für Galaxien, deren Sternentstehung bereits sehr früh nachgelassen hat. Dort könnten schwere Schwarze Löcher einen Teil der Geschichte erklären.

Ein ruhendes Schwarzes Loch muss allerdings nicht für immer ruhig bleiben. Wenn wieder größere Mengen Materie in seine Nähe geraten, kann es erneut aktiv werden. Dann beginnt Gas in seiner Umgebung zu leuchten. Aus einem kaum sichtbaren Schwerkraftzentrum wird dann wieder ein auffälliger kosmischer Leuchtturm.

Kurz zusammengefasst:

Astronomen haben erstmals die Masse eines ruhenden Schwarzen Lochs aus dem frühen Universum direkt gemessen: Es liegt in der Galaxie MRG-M0138 und ist etwa sechs Milliarden Mal so schwer wie die Sonne.
Weil das Schwarze Loch selbst kaum leuchtende Materie in seiner Umgebung besitzt, nutzten die Forscher die Bewegungen naher Sterne, die seine Schwerkraft verraten.
Die Messung zeigt, wie James-Webb und eine natürliche Gravitationslinse helfen, verborgene Schwarze Löcher aufzuspüren und ihre Rolle bei der Entwicklung früher Galaxien besser zu verstehen.

Übrigens: Das James-Webb-Teleskop fand nicht nur ein fast unsichtbares Schwarzes Loch, sondern auch einen extremen Planeten, den ein toter Stern in die Länge zieht und dessen Atmosphäre fast nur aus Helium und Kohlenstoff besteht. Der Fund passt in keine gängige Planetenkategorie und zeigt, wie fremd Welten außerhalb unseres Sonnensystems sein können. Mehr dazu in unserem Artikel.