Quasar J0100+2802: Schwarzes Loch stoppt Sternentstehung

Supermassereiche Schwarze Löcher fungieren als „kosmische Raubtiere“, die die Sternentstehung nicht nur innerhalb ihrer Wirtsgalaxien, sondern auch in benachbarten Systemen in Millionen Lichtjahren Entfernung unterdrücken können. Neue Forschungsergebnisse unter der Leitung der University of Arizona deuten darauf hin, dass die intensive Strahlung, die von aktiven Schwarzen Löchern – sogenannten Quasaren – ausgesendet wird, das für die Sterngeburt notwendige kalte molekulare Wasserstoffgas erhitzt und zerstreut. Diese Entdeckung, die am 3. Dezember 2025 in The Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wurde, legt nahe, dass die Galaxienentwicklung eher eine vernetzte „Gruppenleistung“ als ein isolierter Prozess ist, was unser Verständnis über das Wachstum des frühen Universums grundlegend verändert.

Die Studie, die vom Postdoktoranden Yongda Zhu am Steward Observatory geleitet wurde, nutzte die beispiellose Empfindlichkeit des James Webb Space Telescope (JWST), um das ferne Universum zu beobachten. Durch die Untersuchung der Umgebung eines der massereichsten jemals entdeckten Schwarzen Löcher identifizierte das Team eine „Unterdrückungszone“, in der die Sternentstehung erheblich gehemmt war. Dieser Befund liefert eine lang gesuchte Erklärung dafür, warum einige frühe Galaxien trotz ihrer gasreichen Umgebung „tot“ oder quiescent erscheinen.

Was ist der Quasar J0100+2802 und warum ist er wichtig?

Quasar J0100+2802 ist ein hyperleuchtkräftiger aktiver Galaxienkern in 12,8 Milliarden Lichtjahren Entfernung, der von einem supermassereichen Schwarzen Loch mit der 12-milliardenfachen Masse der Sonne angetrieben wird. Da dieses Objekt nur 900 Millionen Jahre nach dem Urknall auftauchte, ist es von entscheidender Bedeutung, da seine extreme Leuchtkraft – 420 Billionen Mal so hoch wie die unserer Sonne – wie ein kosmischer Leuchtturm wirkt. Dies ermöglicht es Astronomen, die Bedingungen des intergalaktischen Mediums während der Epoche der Reionisierung zu untersuchen.

Beobachtungen von J0100+2802 stellen ein Fenster in die Kindheit des Universums dar und bieten ein Labor zur Untersuchung der Koevolution von Schwarzen Löchern und Galaxien. Da dieses Schwarze Loch so massereich und aktiv ist, dient es als extremes Fallbeispiel für strahlungsbasiertes Feedback. Die Energie, die freigesetzt wird, während Materie in den Ereignishorizont spiralt, erzeugt eine wirbelnde Scheibe aus Gas und Staub, die ihre gesamte Wirtsgalaxie überstrahlt und sie über die Weiten von Raum und Zeit hinweg sichtbar macht.

Die Bedeutung von J0100+2802 liegt in seinen rekordverdächtigen Kennzahlen und seiner Platzierung im kosmischen Zeitstrahl:

• Masse: Ungefähr 12 Milliarden Sonnenmassen.
• Leuchtkraft: Entspricht 420 Billionen Sonnen.
• Rotverschiebung: z = 6,30, datiert aus einer Zeit, als das Universum weniger als 1 Milliarde Jahre alt war.
• Entfernung: 12,8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt.

Können supermassereiche Schwarze Löcher als kosmische Raubtiere agieren?

Supermassereiche Schwarze Löcher agieren als kosmische Raubtiere, indem sie intensive Strahlung aussenden, die benachbarten Galaxien das für die Sternentstehung erforderliche kalte Gas entzieht. Dieser Prozess, der als intergalaktisches Feedback bezeichnet wird, beinhaltet, dass der Quasar lokale Materie „konsumiert“ und gleichzeitig Energieströme freisetzt, die das ökologische Gleichgewicht des umgebenden kosmischen Netzes stören und benachbarte Galaxien effektiv um ihr Wachstumspotenzial bringen.

Traditionelle Modelle der galaktischen Entwicklung gingen davon aus, dass Galaxien aufgrund der enormen Entfernungen zwischen ihnen weitgehend unabhängig seien. Yongda Zhu und sein Team an der University of Arizona fanden jedoch heraus, dass ein einzelnes hyperaktives Schwarzes Loch einen Einflussbereich ausüben kann, der sich über mindestens eine Million Lichtjahre erstreckt. Innerhalb dieses Radius spaltet die Strahlung des Quasars molekularen Wasserstoff – den primären Brennstoff für Sterne – in einen ionisierten Zustand auf, der unter der Schwerkraft nicht kollabieren kann, um neue Sternkörper zu bilden.

Dieses „räuberische“ Verhalten erzeugt einen Welleneffekt im gesamten lokalen galaktischen Ökosystem. Ähnlich wie ein Spitzenprädator in einer terrestrischen Umgebung diktiert der zentrale Quasar die Population und das Wachstum der „Spezies“ (Galaxien) um ihn herum. Indem das Schwarze Loch die Abkühlung von Gas in benachbarten Systemen verhindert, stellt es sicher, dass diese Galaxien klein und unterentwickelt bleiben, was ihren evolutionären Fortschritt effektiv vorzeitig stoppt.

Wie zeigen JWST-Daten die unterdrückte Sternentstehung in der Nähe von Quasaren?

JWST-Daten offenbaren die unterdrückte Sternentstehung durch die Messung von O III-Emissionen (zweifach ionisierter Sauerstoff), die als chemischer Indikator für jüngste Sternaktivität dienen. Mithilfe der Instrumente NIRCam und NIRSpec beobachteten Forscher, dass Galaxien innerhalb eines Radius von einer Million Lichtjahren um den Quasar J0100+2802 im Verhältnis zu ihrem ultravioletten Licht signifikant schwächere O III-Signale aufwiesen, was auf einen Mangel an neuen Sterngeburten hindeutet.

Das James-Webb-Weltraumteleskop war für diese Entdeckung unerlässlich, da die Expansion des Universums das Licht dieser frühen Galaxien in das Infrarotspektrum gedehnt hat. Frühere Observatorien wie Hubble verfügten nicht über die Infrarot-Empfindlichkeit, um die schwachen Signale von ionisiertem Sauerstoff in solch extremen Entfernungen zu detektieren. Die hochauflösenden Daten des JWST ermöglichten es den Forschern, zwischen dem Licht des Quasars und den subtilen Signaturen der umgebenden 117 Galaxien zu unterscheiden, die in der Studie identifiziert wurden.

Interessanterweise dachte das Team zunächst, das Teleskop könnte defekt sein, als sie weniger Galaxien als erwartet in der Nähe des Quasars sahen. „Wir waren ratlos“, sagte Zhu. „Dann wurde uns klar, dass die Galaxien tatsächlich dort sein könnten, aber schwer zu entdecken sind, weil ihre jüngste Sternentstehung unterdrückt wurde.“ Diese Unterdrückung wird durch das geringere Verhältnis der O III-Emission belegt, was bestätigt, dass das strahlungsbasierte Feedback des Schwarzen Lochs die kalten Gaswolken in diesen benachbarten Systemen erreicht und gestört hat.

Zu den wichtigsten technologischen Faktoren, die diese Forschung ermöglichten, gehören:

• NIRCam-Bildgebung: Erfasste hochauflösende Bilder von Galaxien im frühen Universum.
• NIRSpec-Spektroskopie: Ermöglichte die präzise Messung chemischer Elemente wie Sauerstoff und Wasserstoff.
• Infrarot-Empfindlichkeit: Überwand die Hindernisse der Rotverschiebung, die frühere Teleskope behinderten.
• Großes Sichtfeld: Kartierte die Verteilung von Galaxien über einen Radius von einer Million Lichtjahren.

Die Auswirkungen dieser Forschung erstrecken sich auch auf unsere eigene Milchstraße. Astronomen glauben, dass unser zentrales Schwarzes Loch, Sagittarius A*, in ferner Vergangenheit wahrscheinlich eine Quasar-Phase durchlaufen hat. Zu verstehen, wie antike Quasare wie J0100+2802 ihre Umgebung beeinflussten, hilft Wissenschaftlern, die Geschichte unserer lokalen Galaxiengruppe und die umfassendere Architektur des kosmischen Netzes zusammenzusetzen.

In Zukunft plant das Team der University of Arizona, seine Untersuchungen auf andere Quasarfelder auszuweiten, um festzustellen, ob dieses „räuberische“ Verhalten ein universelles Merkmal aller supermassereichen Schwarzen Löcher ist. Sollten sich diese Erkenntnisse in mehreren Regionen des frühen Universums bestätigen, müssen Wissenschaftler ihre Simulationen zur Entstehung der ersten Strukturen im Kosmos drastisch revidieren. Das James-Webb-Weltraumteleskop wird weiterhin das primäre Werkzeug für diese Untersuchungen sein und die Schichten der Zeit abtragen, um zu enthüllen, wie die gewaltigsten Objekte des Universums die friedlichen Galaxien geformt haben, die wir heute beobachten.