In einer Premiere hat das JWST Sternenlicht aus entfernten Galaxien mit Quasaren nachgewiesen.

CAMBRIDGE, MASS. - Zum ersten Mal haben Astronomen Sternenlicht aus entfernten Galaxien nachgewiesen, die extrem helle supermassereiche Schwarze Löcher namens Quasare beherbergen.

Daten des James Webb Space Telescope enthüllen, dass vier dieser Galaxien massiv, kompakt und möglicherweise scheibenförmig sind, berichten Astronomen am 12. Juni auf der JWST First Light Tagung. Das Studium dieser Galaxien könnte dabei helfen, das Rätsel zu lösen, wie Schwarze Löcher im frühen Universum so schnell so groß werden konnten (SN: 1/18/21).

"Seit der Entdeckung von [fernen] Quasaren gab es Versuche, ihre Wirtsgalaxien zu entdecken", sagte der MIT Astrophysiker Minghao Yue. Doch erst mit den scharfen Infrarotaugen des JWST war dies möglich. "Dies eröffnet brandneue Perspektiven, um endlich leuchtende Quasare und ihre Wirtsgalaxien zu verstehen."

Quasare sind Schwarze Löcher, die so stark gefüttert werden, dass das Material, das sie verschlingen, auf weißglühende Temperaturen erhitzt wird und heller leuchtet als die Sterne in den umliegenden Galaxien. Sie sind so hell und entfernt, dass jeder von ihnen als einzelner, sternähnlicher Lichtpunkt erscheint.

Zwei unabhängige Gruppen nutzten diese sternähnliche Qualität, um den Glanz der Schwarzen Löcher aus Bildern ihrer Galaxien zu entfernen, ähnlich einem Bildhauer, der eine Figur aus Marmor modelliert.

Yue und Kollegen nutzten JWST, um sechs Quasar-gehostete Galaxien zu beobachten. Zur gleichen Zeit betrachteten Astrophysiker Xuheng Ding vom Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe in Tokyo und Kollegen ein weiteres Paar Quasare mit JWST. Das Licht aller Quasare wurde vor mehr als 12,8 Milliarden Jahren emittiert, also vor weniger als einer Milliarde Jahren nach dem Urknall.

Die Teams nutzten reale Sterne in den Bildern, um die sternähnlichen Formen der Quasare zu simulieren. Anschließend zogen sie den simulierten Quasar vom Bild jeder ganzen Galaxie ab und voilà: Nur Sternenlicht blieb übrig.

Dings Team bekam direkte Einblicke in beide ihrer Galaxien, während Yue's Team zwei ihrer sechs nur kurz betrachten konnte. Alle gemessenen Galaxien scheinen weniger als ein Zehntel so breit wie die Milchstraße zu sein und messen zwischen 2.600 und 8.000 Lichtjahre. Die beiden Galaxien, die Yue und Kollegen beobachteten, enthalten genug Sterne, um zwischen 10 Milliarden und 100 Milliarden Mal so viel Masse wie die Sonne auszumachen, schätzen die Forscher. Das Paar, das Ding und Kollegen untersuchten, wiegen etwa 25 Milliarden und 63 Milliarden Sonnenmassen, berichtete das Team auf der Tagung und in einer Studie, die in Nature erscheinen wird.

Diese Massen sind vergleichbar mit allen Sternen in der Milchstraße, die insgesamt etwa 60 Milliarden Sonnenmassen ausmachen. Das ist überraschend massiv für so früh in der Geschichte des Universums.

Darüber hinaus scheinen die Galaxien eine Regel zu brechen, die durch Beobachtungen von Galaxien in der nahen Umgebung festgelegt wurde. Vor Ort tendieren Galaxien dazu, ihre Masse zwischen Sternen und Schwarzen Löchern in einer vorhersehbaren Weise aufzuteilen: Je massereicher ihr zentrales supermassereiches Schwarzes Loch, desto mehr Sterne hat eine Galaxie. Diese Galaxien scheinen jedoch mehr Masse in ihre Schwarzen Löcher zu packen, als die Anzahl ihrer Sterne zulassen sollte.

"Zumindest bei diesen leuchtenden Quasaren sind sie wirklich übermassiv", sagte Yue.

Die Massenberechnungen könnten jedoch eine Überschätzung sein, sagt Astrophysiker Paul Shapiro von der University of Texas at Austin, der an keiner der Studien beteiligt war. Die Umwandlung des Lichts, das JWST sehen kann, in Sterne basiert auf Annahmen darüber, wie viele Sterne einer Galaxie verschiedener Massen hat. Moderne Galaxien haben viel mehr schwache, leichte Sterne als helle, kräftige, deshalb gehen Astronomen in der Regel davon aus, dass die hellsten Sterne, die sie sehen, nur die Spitze des Eisbergs sind. Aber das war möglicherweise 800 Millionen Jahre nach dem Urknall nicht der Fall, sagt Shapiro.

"Sie beobachten den Schwanz und schlussfolgern auf den Hund", sagt er. "Wenn es eine Massenverteilung gibt, die sich für Sterne mit hoher Masse entscheidet, könnten Sie die mit dem Licht verbundene Masse erheblich überschätzen."

"Aber", sagt Astronom Madeline Marshall vom National Research Council Canada in Victoria, "die Tatsache, dass wir es überhaupt sehen können, ist sehr aufregend". Die Tatsache, dass zwei Gruppen unabhängig voneinander Sternenlicht von Quasaren-Wirten berichten, ist sehr überzeugend, sagt sie.

"Vor dem JWST konnten wir keine Gastgalaxien von [fernen] Quasaren erkennen", sagte sie auf der Konferenz. "Jetzt können wir schon im ersten Beobachtungsjahr einige dieser Wirtsgalaxien zum ersten Mal erkennen."

Diese ersten Quasar-Gastgeber sind erst der Anfang, sagt Ding. Das JWST soll mindestens weitere 10 beobachten, von denen einige noch weiter entfernt sind. Eine größere Stichprobe wird den Astronomen dabei helfen, anhaltende kosmische Rätsel darüber zu lösen, wie Schwarze Löcher und Galaxien sich gegenseitig beeinflussen, wenn sie wachsen.

“We don’t know how black holes can be so big in the early universe,” Ding says. “You need to understand the environment of this monster, how it can collect so much matter to it. So knowing the conditions — the mass of the host galaxies, for example — at least then you can say how their local environment is.”

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