Kühles, dichtes Wasserstoffgas umgibt frühe Quasare

1. November 2019

Quasare gehören zu den hellsten permanenten Quellen am Himmel. Dank ihrer hohen Leuchtkraft lassen sie sich auch zu frühen kosmischen Zeiten beobachten, wo - überraschenderweise - diese ersten Quasare als bereits entwickelte Systeme erscheinen: sie enthalten schwarze Löcher mit über einer Milliarde Sonnenmassen in massereichen Galaxien mit hoher Sternentstehungsaktivität. Um ein derart schnelles Wachstum zu erklären, glauben die Theoretiker, dass sich diese Systeme in besonders dichten Umgebungen befinden müssen, in denen das Vorhandensein von riesigen Gasmengen einen effizienten Materiefluss auf ursprüngliche kleinere Schwarze Löcher ermöglicht. Ein internationales Team von Astronomen hat kürzlich zum ersten Mal klare Hinweise in Beobachtungen gefunden, dass dies tatsächlich der Fall ist. Der neue "Panorama"-Spektrograph namens MUSE enthüllte, dass die meisten frühen Quasare von großen Mengen an kühlem Gas umgeben sind. Dieser reine „Kraftstoff“ fällt auf die primordialen Galaxien und befeuert sowohl das Wachstum ihrer Sternmasse als auch des Schwarzen Lochs im Zentrum.

Ein Atlas der erweiterten Ly-Alpha-Halos, die um Quasare bei z~6 entdeckt wurden (als das Universum nur 1/15 seines aktuellen Alters hatte). Die Quasarposition ist jeweils mit einem schwarzen Punkt markiert. Bitte beachten Sie auch die 3D-Animation für P308-21 am Ende dieser Seite.

Ein wichtiges Ziel der beobachtenden Astronomie ist es, tief in das junge Universum zu blicken und zu untersuchen, wie die ersten Sterne, Galaxien und Schwarzen Löcher entstanden. Jahrzehntelang nutzten Astronomen helle Quasare, um die Entstehung und Entwicklung von Galaxien zu allen kosmischen Zeiten zu untersuchen, sowohl als Silhouette vor den leuchtenden Quasaren als auch durch die Strahlung in ihrer Umgebung. Trotz signifikanten Fortschritten verstehen wir immer noch nicht im Detail, wie supermassereiche Schwarze Löcher mit mehr als einer Milliarde Sonnenmassen weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall derart viel Masse ansammeln können, einem kleinen Bruchteil des heutigen Zeitalters des Universums (13,8 Milliarden Jahre).

Hydrodynamische kosmologische Simulationen und analytische Argumente deuten darauf hin, dass die Wirtsgalaxien der ersten Quasare einen kontinuierlichen Nachschub an frischem Treibstoff benötigen, um derart massereiche Systeme in so kurzer Zeit wachsen zu lassen. Dieses Gas muss durch kalte Ströme aus dem so genannten intergalaktischen Medium bis zur Wirtsgalaxie des Quasars und/oder durch Verschmelzungen mit anderen gasreichen Galaxien bereitgestellt werden. Während eine Verschmelzung eine kurze, heftige Episode ist, sollten die oben genannten Gas-Filamente um jeden Quasar herum vorhanden sein.

Die Emission dieses großflächig verteilten Gases ist jedoch typischerweise zu schwach, um beobachtet zu werden, es sei denn, das Gas wird durch die intensive Strahlung des Quasars beleuchtet. In diesem Fall verteilt der Wasserstoff im Gas die einfallende Strahlung um und „schimmert“ als ausgedehnte Ly-Alpha-Emission, die dann mit erstklassigen Instrumenten nachweisbar ist. Vor Kurzem machte sich ein Astronomenteam aus Garching, Heidelberg und Santa Barbara diese verstärkte Emission zu Nutze und führte eine große Studie durch, um diesen „Schimmer“ rund um mehr als 30 leuchtkräftige Quasare im jungen Universum nachzuweisen.

Mehrere Studien in den letzten Jahren haben gezeigt, dass Quasare 2-3 Milliarden Jahre nach dem Urknall in große Ly-Alpha-Nebel eingebettet sind. Diese Grafik veranschaulicht, wie die durchschnittliche Ly-Alpha-Emission mit zunehmendem Abstand vom Zentrum des Halos der dunklen Materie, in dem sich diese Quasare befinden, schwächer wird. Die drei verschiedenen Farben entsprechen Studien zu verschiedenen kosmischen Zeiten. Überraschenderweise scheinen die frühesten supermassereichen schwarzen Löcher (diese Studie, rot) von größeren Gasmassen umgeben zu sein, während die Form der Kurve zu allen Zeiten ähnlich ist.

Mehr als 50 Stunden mit dem Panorama-Integralfeldspektrographen MUSE auf dem Very Large Telescope ergaben, dass rund 40% der ersten Quasare in Ly-Alpha-Halos (siehe Abbildung 1) mit einer Ausdehnung von bis zu hunderttausend Lichtjahren eingebettet sind. Diese Halos zeigen direkt das Vorhandensein von kühlem, dichtem Wasserstoffgas um die ersten Quasare herum. Insbesondere entdeckten die Forscher, dass dieses Gas im Dunklen-Materie-Halo der Wirtsgalaxien gebunden ist und dass es in ausreichender Menge vorhanden ist, um sowohl den beobachteten hohen Gasverbrauch der zentralen supermassereichen Schwarzen Löcher als auch die hohe Sternentstehungsrate in den Wirtsgalaxien aufrechtzuerhalten.

Die Anwesenheit dieser ausgedehnten Nebel ist ein wichtiger Teil des Puzzles, das die Astronomen zusammensetzen, um die Entstehung großer kosmischer Strukturen vor mehr als 12 Milliarden Jahren zu verstehen. Durch die genauen Grenzen für diesen Treibstoff können mit diesen neuen Beobachtungen aktuelle Theorien und Modelle für das Wachstum von massereichen Galaxien und Schwarzen Löchern vom Urknall bis zur Gegenwart getestet werden (siehe Abbildung 2). Während zusätzliche Beobachtungen bereits geplant sind, um den physikalischen Zustand des Gases vollständig zu erfassen, stellen aktuelle Daten die theoretischen Modelle vor neue Herausforderungen. Sie deuten darauf hin, dass der Ly-Alpha Nebel nicht gleichmäßig verteilt ist, sondern aus einem Schleier kleiner dichten Tropfen besteht. Die Struktur dieser Wolken wiederzugeben könnte sich als entscheidende Herausforderung für die nächste Generation theoretischer Modelle der Galaxienentwicklung erweisen.

3D-Visualisierung des erweiterten Ly-Alpha-Halos um den Quasar P308-21 bei z=6,23. Das "Loch" in der Mitte bezeichnet die Quasarposition, dieser wurde entfernt, um die Messung nicht mit Licht aus dem zentralen Schwarzen Loch zu verunreinigen. Das Gas scheint eine relativ ruhige Bewegung auszuführen, was darauf hindeutet, dass es sich innerhalb des Dunklen-Materie-Halos bewegt, in dem sich der Quasar befindet.

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