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Rote Punkte im Weltraum könnten urzeitliche Schwarze Löcher verbergen
Kosmisches Rätsel: Die kleinen roten Punkte des James-Webb-Weltraumteleskops könnten teilweise Schwarze Löcher verbergen, deren Ursprung bis in die sternlose Frühzeit des Kosmos reicht. Eine Modellstudie hat drei Entstehungswege verglichen. Für das extrem metallarme Objekt QSO1 passt demnach vor allem ein Szenario, in dem ein urzeitlicher Schwarzes-Loch-Keim durch Gaszufluss gewachsen ist.
Baltimore (U.S.A.). Nur rund 700 Millionen Jahre nach dem Urknall existierten bereits Schwarze Löcher mit vielen Millionen Sonnenmassen. Ihre enorme Größe stellt gängige Entstehungsszenarien vor ein Zeitproblem, denn aus den Überresten der ersten Sterne müssten solche Schwerkraftgiganten in vergleichsweise kurzer Zeit herangewachsen sein.
Zusätzliche Hinweise liefern die „Little Red Dots“, winzige rötliche Quellen in Webb-Aufnahmen des frühen Kosmos. Manche scheinen von einem sehr massereichen Schwarzen Loch dominiert zu werden, obwohl sie nur wenige Sterne besitzen. Doch bislang ist unklar, wie die zentralen Objekte so früh so schwer werden konnten.
Forscher der Johns Hopkins University (JHU) um Valerio De Luca haben nun anhand bereits veröffentlichter Webb-Befunde drei mögliche Ursprungswege für solche Schwarzen Löcher modelliert. Als Prüfstein diente Abell 2744-QSO1, kurz QSO1, das durch die Gravitationslinse eines Vordergrund-Galaxienhaufens vergrößert erscheint.
Das Licht von QSO1 stammt aus einer Zeit etwa 700 Millionen Jahre nach dem Urknall. Sein zentrales Schwarzes Loch besitzt rund 50 Millionen Sonnenmassen, doch die Umgebung enthält weniger als ein Hundertstel des für die Sonne typischen Anteils schwererer Elemente. Diese sogenannte Metallarmut ist auffällig, weil schwerere Elemente erst durch Sterne erzeugt und im All verteilt werden.
„Diese kleinen roten Punkte könnten astrophysikalische Schwarze Löcher umgeben, und wahrscheinlich trifft das auf viele von ihnen zu, aber sie könnten auch primordiale Schwarze Löcher sein, sofern diese existieren. Dann stellt sich die Frage: Welche davon sind primordial und wie können wir das erkennen?“, erklärt Valerio De Luca.
Im ersten Szenario wäre das Schwarze Loch bereits im frühen Universum unmittelbar mit einer riesigen Masse entstanden. Dem widersprechen nach den Berechnungen enge Grenzen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund: Die nötigen starken Dichteschwankungen hätten messbare Spuren hinterlassen müssen. Als mögliche Ausgangskeime kommen deshalb eher primordiale Schwarze Löcher mit höchstens ungefähr 1.000 Sonnenmassen in Betracht.
Der zweite Weg führt über wiederholte Verschmelzungen solcher kleineren Keime. Dafür müssten besonders massereiche Dunkle-Materie-Halos die wachsenden Schwarzen Löcher trotz des Rückstoßes bei ihren Kollisionen festhalten. Doch solche Umgebungen sind im frühen Universum laut dem Modell zu selten, um die Häufigkeit der beobachteten roten Punkte gut zu erklären.
„Kosmologische Beobachtungen setzen primordialen Schwarzen Löchern Grenzen. Es kann beispielsweise nur eine bestimmte Zahl davon im Universum geben, und in einem einzelnen Haufen dürfen es nicht zu viele sein“, erläutert Loris Del Grosso von der Johns Hopkins University.
Als aussichtsreichster Weg erweist sich in den Rechnungen die Aufnahme von Gas durch einen zunächst etwa 1.000 Sonnenmassen schweren Keim. Bei hinreichend effizientem Zustrom könnte daraus bis zur Epoche von QSO1 ein Schwarzes Loch von vielen Millionen Sonnenmassen entstehen. Zeitweise überschreitet die modellierte Aufnahmerate sogar die klassische Eddington-Grenze, bei der Strahlungsdruck den weiteren Zustrom normalerweise bremst.