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Wie konnten frühe Schwarze Löcher nach dem Urknall so schnell wachsen?
Schon 660 Millionen Jahre nach dem Urknall standen Schwarze Löcher vor einem Wachstumsproblem: Einige frühe Quasare beherbergten bereits Objekte mit Milliarden Sonnenmassen. Mit MoM-BH*-1 zeigt das James-Webb-Weltraumteleskop nun ein Objekt, das offenbar ein Schwarzes Loch in extrem dichtem, fast staubfreiem Gas enthält. Dieses Modell könnte eine Phase besonders schneller Akkretion sichtbar machen.
Klosterneuburg (Österreich). Bereits in der kosmischen Morgendämmerung existierten Quasare, deren zentrale Schwarze Löcher erstaunlich große Massen erreicht hatten, obwohl die Strahlung des einfallenden Materials den weiteren Zustrom normalerweise bremst. Für Milliarden Sonnenmassen blieb im jungen Universum deshalb nur wenig Zeit.
MoM-BH*-1 könnte zeigen, wie eine besonders frühe Wachstumsphase aussah, denn sein Licht wurde ausgesandt, als das Universum erst rund 660 Millionen Jahre alt war. Das Objekt erscheint als extrem roter, punktförmiger Infrarotstrahler, während seine vermutlich kleine Wirtsgalaxie nur wenig zum beobachteten Licht beiträgt.
Forscher des MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI) um Rohan P. Naidu haben MoM-BH*-1 mit dem Nahinfrarot-Spektrografen NIRSpec des James-Webb-Weltraumteleskops untersucht. Das Spektrum liegt bei einer Rotverschiebung von 7,7569 und zeigt einen ungewöhnlich starken Balmer-Bruch, bei dem die Strahlung an einer charakteristischen Grenze abrupt abfällt.
Für MoM-BH*-1 erreicht dieser Bruch eine Stärke von 7,7 und liegt damit deutlich über dem Bereich gewöhnlicher staubfreier Sternpopulationen. Zugleich treten breite Wasserstoffemission und tiefe Absorption in mehreren Balmer-Linien auf, deren Kombination extrem dichten Wasserstoff verlangt, wie er in normalen interstellaren Gaswolken nicht vorkommt.
„Das von uns nachgewiesene Spektrum ist unser bester Hinweis auf einen Gasmantel, der ein früh entstehendes Schwarzes Loch speist“, erklärt Rohan P. Naidu.
Die Forscher modellieren das Objekt deshalb als Schwarzes Loch in einer dichten, turbulenten Gashülle, die im Referenzmodell praktisch keinen Staub enthält und eine Wasserstoffdichte von etwa 10¹¹ Teilchen pro Kubikzentimeter besitzt. Die Hülle erstreckt sich dem Modell zufolge über ungefähr zehn bis hundert Astronomische Einheiten und erreicht damit eine Größenordnung wie im Sonnensystem.
„Wir fragten uns, ob sich etwas so Rotes allein mit Wasserstoff und ganz ohne Staub erzeugen lässt“, erklärt Robert A. Simcoe vom MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI).
Die dichte Hülle könnte nicht nur das ungewöhnliche Spektrum erklären, sondern auch Bedingungen schaffen, unter denen ein Schwarzes Loch zeitweise schneller wächst, als es die klassische Eddington-Grenze erwarten lässt. In solchen Szenarien hält die hohe optische Dicke einen Teil der Akkretionsstrahlung im Gas zurück, wodurch der Strahlungsdruck den Materiezustrom weniger wirksam stoppt.
Die veröffentlichte Studie ordnet MoM-BH*-1 einem noch wachsenden Schwarzen Loch mit ungefähr einer Million bis zehn Millionen Sonnenmassen zu. Offen bleibt, ob es gerade einen super-Eddingtonartigen Wachstumsschub erlebt oder eine solche Phase bereits beendet hat. Die Autoren betonen zudem, dass ihr Gashüllenmodell stark idealisiert ist und vor allem die grundlegende physikalische Plausibilität testen soll.