JWST findet heraus: „Kleine rote Punkte“ sind wahrscheinlich Schwarze-Loch-Sterne

Seit seiner Inbetriebnahme hat das James Webb Space Telescope (JWST) unser Verständnis des frühen Universums grundlegend verändert, indem es Bilder von mysteriösen, kompakten und extrem roten Objekten aufgenommen hat, die umgangssprachlich als „Little Red Dots“ (LRDs) bekannt sind. Jahrelang debattierten Astronomen darüber, ob es sich bei diesen Quellen mit hoher Rotverschiebung (gefunden zwischen $z \sim 2$ und $z \sim 9$) um winzige, ultradichte Galaxien oder um verdeckte aktive Galaxienkerne (AGN) handelt. Eine bahnbrechende neue Studie unter der Leitung von Forschern wie Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan und Sandro Tacchella schlägt eine dritte, exotischere Möglichkeit vor: Diese Objekte sind Schwarze-Loch-Sterne (BH*s), eine Übergangsphase, in der ein wachsendes Schwarzes Loch von einer massiven, dichten Hülle aus Gas umhüllt ist, die seine Wirtsgalaxie vollständig überstrahlt.

Was hat das JWST im frühen Universum gefunden?

Das James Webb Space Telescope (JWST) entdeckte eine Population von kompakten Objekten mit hoher Rotverschiebung, die als „Little Red Dots“ bekannt sind und in optischen Wellenlängen im Ruhesystem bemerkenswert rot erscheinen. Diese Quellen, die aus einer Zeit von nur wenigen hundert Millionen Jahren nach dem Urknall stammen, weisen extreme Leuchtkräfte und kompakte Strukturen auf, die bestehende Modelle der Galaxienbildung und des Wachstums von Schwarzen Löchern infrage stellen.

Die Entdeckung dieser Objekte war unerwartet, da ihre Spektralsignaturen nicht eindeutig mit bekannten Himmelskörpern übereinstimmten. Ursprünglich konzentrierte sich die Debatte darauf, ob die Rötung durch alte Sternpopulationen in einer ruhenden Galaxie oder durch starke Staubverdeckung um ein zentrales Schwarzes Loch verursacht wurde. Das Forschungsteam nutzte hochwertige NIRSpec/PRISM-Spektren einer Stichprobe von 98 LRDs, um diese „Little Red Dots“ genauer zu untersuchen und den spezifischen Mechanismus zu identifizieren, der ihre intensive Energiefreisetzung antreibt.

Um die wahre Natur dieser Objekte zu isolieren, entwickelten die Forscher ein neuartiges Verfahren, um die zentrale Energiequelle von der umgebenden Wirtsgalaxie zu trennen. Sie gingen von der Annahme aus, dass die [OIII] 5008Å-Emissionslinie ausschließlich aus dem interstellaren Medium der Wirtsgalaxie und nicht aus dem kompakten Kern stammt. Durch Subtraktion des Beitrags der Wirtsgalaxie auf Basis dieser Linie enthüllte das Team die zugrunde liegende spektrale Energieverteilung (SED) des „Herzens“ des LRD, was den ersten Beleg auf Populationsebene für Schwarze-Loch-Sterne lieferte.

Sind die Little Red Dots tatsächlich Schwarze-Loch-Sterne?

Die Beweise deuten darauf hin, dass viele Little Red Dots tatsächlich von Schwarze-Loch-Sterne angetrieben werden, bei denen es sich um zentrale Singularitäten handelt, die in dicke, undurchsichtige Gashüllen eingehüllt sind. Nach Abzug des Lichts der Wirtsgalaxie stellten die Forscher fest, dass der verbleibende Kern einer schwarzkörperähnlichen SED mit einer Temperatur von etwa 4.050 K ähnelt, was weitaus besser mit einer Gashülle als mit einer herkömmlichen Galaxie übereinstimmt.

Das Modell des „Schwarze-Loch-Sterns“, oft als Quasistern bezeichnet, beschreibt einen einzigartigen Zustand der Materie, in dem ein Schwarzes Loch innerhalb einer massiven, hydrostatischen Hülle mit beschleunigter Rate wächst. Die Studie ergab, dass der um die Wirtsgalaxie bereinigte Median-Stack dieser LRDs einen Balmer-Sprung aufweist, der mehr als doppelt so stark ist wie bei massiven ruhenden Galaxien. Dieses spezifische Merkmal ist eine „charakteristische Signatur“ dichter Gashüllen und nicht des Lichts alter Sterne, was darauf hindeutet, dass das Schwarze Loch die primäre Quelle des beobachteten Lichts ist.

Den Ergebnissen von Brammer, Natarajan und Tacchella zufolge sind diese Schwarze-Loch-Sterne unglaublich leuchtstark, mit einer bolometrischen Leuchtkraft von $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43,9$ erg s$^{-1}$ und einem effektiven Radius von etwa 1.300 au. Die Studie zeigt, dass in einem typischen LRD der Schwarze-Loch-Stern für Folgendes verantwortlich ist:

• Etwa 20 % der ultravioletten (UV) Emission.
• Ungefähr 50 % des Lichts am Balmer-Sprung.
• Fast 90 % des Lichts bei Wellenlängen länger als H$\alpha$.

Wie wächst ein Schwarzes Loch in einer Gashülle?

Ein Schwarzes Loch wächst innerhalb einer Gashülle, indem es Masse mit Raten aufnimmt, die das Standard-Eddington-Limit überschreiten, während das umgebende Gas die resultierende Strahlung einfängt. Dadurch entsteht ein dichter, unter Druck stehender Kokon, in dem die nach innen gerichtete Schwerkraft durch den nach außen gerichteten Druck der Energie des Schwarzen Lochs ausgeglichen wird, was zu einer stabilen, aber vorübergehenden „sternähnlichen“ Struktur führt.

Die spektroskopischen Daten stützen dieses Modell des „verhüllten“ Wachstums durch die Beobachtung eines steilen Balmer-Dekrements ($H\alpha/H\beta > 10$). Ein so hohes Verhältnis deutet auf eine stark verdeckte und dichte Umgebung hin, in der Staub und Gas das aus dem Inneren austretende Licht erheblich röten. Darüber hinaus entdeckte das Team zahlreiche dichteempfindliche Merkmale, darunter Emissionslinien von FeII, HeI und OI, die in Standardgalaxien selten zu sehen sind, aber charakteristisch für hochdichte Gaswolken um eine starke Energiequelle sind.

Die Forschung postuliert, dass diese Schwarze-Loch-Sterne vorzugsweise in massearmen Galaxien ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$) existieren, die vor Kurzem intensive Starbursts durchlaufen haben. Das Vorhandensein extremer Äquivalentbreiten der Emissionslinien – wie [OIII] 5008Å bei 1100Å und CIII] bei 12Å – deutet auf eine starke Verbindung zwischen schneller Sternentstehung und der Geburt dieser massiven Schwarzen-Loch-Keime hin. Diese Umgebung bietet das notwendige Gasreservoir, um die Hülle während der anfänglichen Expansion des Schwarzen Lochs aufrechtzuerhalten.

Implikationen für das frühe Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher

Die Entdeckung der Phase des Schwarze-Loch-Sterns hat weitreichende Konsequenzen dafür, wie sich die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher im Universum so schnell bilden konnten. Standard-Akkretionsmodelle haben oft Schwierigkeiten zu erklären, wie Schwarze Löcher innerhalb der ersten Milliarde Jahre der kosmischen Geschichte Milliarden von Sonnenmassen erreichten. Der Mechanismus des Schwarze-Loch-Sterns ermöglicht jedoch ein schnelles „Super-Eddington“-Wachstum, während das Objekt verdeckt bleibt und somit praktisch unsichtbar ist, bis sich die Hülle schließlich auflöst.

Die Forscher schätzen, dass diese Objekte einen relativ kurzen Duty Cycle von etwa 1 % haben, was einer Lebensdauer von etwa 10 Millionen Jahren entspricht. Trotz dieser Kurzlebigkeit deuten die Daten darauf hin, dass Schwarze-Loch-Sterne im frühen Universum so alltäglich sind, dass fast jedes massive Schwarze Loch, das wir heute sehen, einmal diese „Little Red Dot“-Phase durchlaufen haben könnte. Dies deutet darauf hin, dass LRDs keine evolutionäre Sackgasse sind, sondern vielmehr ein universeller „Wachstumsschub“ für Schwarze Löcher.

In Zukunft werden sich Beobachtungen mit dem James Webb Space Telescope wahrscheinlich auf „blaue Breitlinien-AGN“ konzentrieren, von denen die Forscher glauben, dass sie die Phase darstellen könnten, die auf den Schwarze-Loch-Stern folgt, sobald sich die dichte Gashülle aufzulösen beginnt. Durch die Untersuchung des Übergangs von gasumhüllten „Punkten“ zu leuchtstarken, unmaskierten Quasaren hoffen Astronomen, den gesamten Lebenszyklus der massereichsten Bewohner des Universums von der kosmischen Dämmerung bis zur Gegenwart kartieren zu können.