Schnell akkretierendes Schwarzes Loch im frühen Universum zufällig entdeckt

eROSITA-Teleskop findet im Röntgenlicht einen hellen Quasar, der nur etwa 800 Millionen Jahre nach dem Urknall mit einer extrem hohen Geschwindigkeit Materie ansammelt

Bei der Analyse von Daten aus dem eROSITA „Final Equatorial-Depth Survey“ haben Forschende am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) eine schwache Röntgenquelle gefunden, die sie als sehr weit entfernten Quasar identifizieren konnten. Dies ist die bisher am weitesten entfernte zufällige Röntgendetektion. Das supermassereiche Schwarze Loch akkretiert mit einer extrem hohen Rate Materie; damit ist der Quasar für seine enorme Entfernung – mit einer Rotverschiebung von z = 6,56 – sehr viel heller als erwartet. Sein vor fast 13 Milliarden Jahren abgestrahltes Licht ermöglicht es den Astronominnen und Astronomen, das Wachstum von Schwarzen Löchern im frühen Universum zu untersuchen.

Supermassereiche Schwarze Löcher in Zentren von Galaxien lassen sich auch auf große Entfernungen nachweisen – aber nur, wenn sie Materie ansammeln, die sich erhitzt und hell leuchtet. Dadurch bekommt das Galaxienzentrum einen „aktiven galaktischen Kern“ (AGN). Diese so genannten „Quasare“, oder quasi-stellaren Objekte, überstrahlen dann den Rest ihrer Galaxie. Sie leuchten im Röntgenbereich heller als alle anderen Objekte im Universum, sind aber bei großen Entfernungen dennoch schwer zu entdecken und extrem selten. Bisher wurden bei Rotverschiebungen von z > 5,7 – als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war – erst etwa 50 Quasare mit Röntgenteleskopen entdeckt.

Bei der Analyse von Röntgendaten des eROSITA „Final Equatorial-Depth Survey“ (eFEDS), die während der Leistungsüberprüfungsphase des eROSITA-Teleskops im Jahr 2019 aufgenommen wurden, fand das eROSITA-Team eine neue Punktquelle. In einer Zusammenarbeit mit Kollegen vom Subaru-Teleskop identifizierten sie das Röntgenlicht als den bereits bekannten Quasar J0921+0007. Dieser war ursprünglich mit einer Rotverschiebung von 6,56 von einer Forschungsgruppe entdeckt worden, die mit Subaru nach entfernten Quellen suchte. Gezielte Folgebeobachtungen bei Infrarotwellenlängen zeigten nun, dass das Schwarze Loch eine Masse von 250 Millionen Sonnen hat – relativ wenig für ein supermassereiches Schwarzes Loch in dieser Entfernung. Weitere Folgebeobachtungen mit dem Röntgensatelliten Chandra bestätigten die von eROSITA gemessene hohe Leuchtkraft, die auf eine sehr hohe Akkretionsrate hinweist.

„Wir haben nicht erwartet, einen aktiven Galaxienkern mit so geringer Masse bereits in unserer ersten Mini-Durchmusterung mit eROSITA zu finden“, sagt Julien Wolf, der im Rahmen seiner Doktorarbeit am MPE in den eROSITA-Daten nach weit entfernten supermassereichen Schwarzen Löchern sucht. „Es ist der bisher am weitesten entfernte zufällige Fund im Röntgenbereich. Zudem sind seine Eigenschaften eher untypisch für Quasare bei so hohen Rotverschiebungen: Er ist im sichtbaren Licht sehr schwach, gleichzeitig aber sehr leuchtstark im Röntgenlicht.“

Der von eROSITA aufgespürte Quasar weist Eigenschaften auf, die einer besonderen Klasse von sogenannten Seyfert-1-Galaxien im lokalen Universum ähneln. Diese besitzen supermassereiche Schwarze Löcher von unter 100 Millionen Sonnenmassen in ihren Zentren und akkretieren Materie mit hoher Geschwindigkeit. Diese Seyfert-1-Galaxien könnten daher jünger als ihre massereicheren Geschwister sein.

„Die Suche nach seltenen Objekten wie diesem erfordert Astronomie bei vielen unterschiedlichen Wellenlängen, die eROSITAs großes Blickfeld im Röntgenbereich ergänzen“, betont Mara Salvato, Sprecherin von eROSITA. „Glücklicherweise ist der größte Teil des Himmels bei optischen und infraroten Wellenlängen bereits kartiert, und gerade die Daten des Subaru-Teleskopes reichen für das eFEDS-Feld besonders tief und damit in die jüngsten Zeiten des Universums zurück.“

Die meisten aktiven Galaxien mit hohen Rotverschiebungen, das heißt in großen Entfernungen, beherbergen Schwarze Löcher von einer bis zehn Milliarden Sonnenmassen. Es sollte jedoch auch viele entfernte AGNs mit weniger massereichen Schwarzen Löchern geben. Damit Teleskope und Satelliten sie überhaupt beobachten können, müssen diese dann allerdings sehr schnell Materie ansammeln, um hell genug zu leuchten.  

 

Zusätzlich zu ihrem Zufallsfund entdeckte das Team noch einen weiteren hellen und ähnlich weit entfernten Quasar im selben Beobachtungsfeld. „eROSITA eignet sich besonders gut dafür, seltene Röntgenobjekte wie diesen leistungsstarken Quasar mit hoher Rotverschiebung, zu finden und zu kartieren“, sagt Kirpal Nandra, Direktor für Hochenergiephysik am MPE. „Dies ist nun das zweite derartige Objekt, das wir in eFEDS gefunden haben, obwohl wir sie in diesem Feld gar nicht erwartet hatten.“

Die ersten eROSITA-Daten sind nur ein Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird. Basierend auf diesen ersten Entdeckungen erwarten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass sie mit der eROSITA Himmelsdurchmusterung Hunderte von Quasaren finden könnten. Um diese schwer fassbare Population noch unbekannter entfernter Quasare zu finden, hat das Team ein umfangreiches Programm zur Analyse der eROSITA-Himmelsdurchmusterung entwickelt. Diese führte bereits zur Entdeckung von fünf neuen, im Röntgenlicht leuchtenden Quasaren bei z>5,6, die bald in einer weiteren Veröffentlichung vorgestellt werden. Gleichzeitig meldete ein russisches Forscherteam die ersten eROSITA-Entdeckungen bei hoher Rotverschiebung in der nördlichen Hemisphäre.

Objekte wie diese sind derzeit die beste Möglichkeit, die Entstehung Schwarzer Löcher in frühen Universum zu verstehen. Sollten sich die überraschenden eFEDS-Entdeckungen in einem größeren Datensatz bestätigen, könnte dies eine Herausforderung für einige evolutionäre Modelle darstellen.