Russische Astrophysiker haben ein großes Schwarzes Loch im frühen Universum untersucht

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern, darunter Astrophysiker des russischen Moskauer Instituts für Physik und Technologie, hat einen sehr hellen und sehr weit entfernten Blazar aus unserer Galaxie untersucht – ein supermassereiches Schwarzes Loch, das Radiowellen direkt in Richtung Erde aussendet. Die Forscher blickten im Wesentlichen in die Vergangenheit, da das Signal dieses Schwarzen Lochs 11 Milliarden Jahre brauchte, um uns zu erreichen. Der Blazar „erleuchtete“ die Wissenschaftler mit Blick auf eine Zeit, in der unser Universum fast zehnmal jünger war. Dies bestätigte die Theorie, dass die Materiedichte im frühen Universum viel größer war als heute, was wiederum die Urknalltheorie stärkt. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Astrophysical Bulletin veröffentlicht, die vom Special Astrophysical Observatory der Russischen Akademie der Wissenschaften herausgegeben wird.

Erinnern wir uns zunächst daran, was Blazare sind und wie sie sich von gewöhnlichen Schwarzen Löchern und Quasaren unterscheiden. In den Zentren der meisten großen Galaxien lauern supermassereiche Schwarze Löcher – Objekte mit Massen, die zwischen Millionen und Milliarden Mal so groß sind wie die unserer Sonne. Wenn Materie (Gas, Staub, Sterne) auf ein solches Schwarzes Loch fällt, bildet sie eine Akkretionsscheibe – eine heiße Struktur, die über das gesamte elektromagnetische Spektrum intensiv strahlt. Quasare sind der stärkste und leuchtstärkste Typ aktiver Galaxienkerne. Ihre Leuchtkraft kann tausende Male größer sein als die Leuchtkraft der gesamten Muttergalaxie, die aus Hunderten von Milliarden Sternen besteht. Quasare sind so hell, dass sie von den äußersten Rändern des beobachtbaren Universums aus sichtbar sind. Einige Quasare (es gibt nur etwa 10–15 %) sind auch „radiolaut“ – sie senden starke Strahlung im Radiobereich aus. Diese Strahlung wird in Jets erzeugt – schmalen Plasmastrahlen, die mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit aus der Umgebung des zentralen Schwarzen Lochs ausgestoßen werden. Wissenschaftler bezeichnen diese radioaktiven Quasare, deren Jets fast genau auf die Erde gerichtet sind und die unter allen bekannten Typen Schwarzer Löcher die höchste Helligkeit aufweisen, als Blazare. Die Variabilität ihrer Helligkeit wird im gesamten elektromagnetischen Bereich beobachtet – von harter Gamma- und Röntgenstrahlung bis hin zu Radiowellen, was ihre Aufzeichnung über enorme Entfernungen ermöglicht.

Wie MIPT MK mitteilte, beobachteten verschiedene wissenschaftliche Gruppen den Blazar PKS 1614+051, der sich in einer enormen Entfernung von uns befindet – mehr als 11 Milliarden Lichtjahre – 27 Jahre lang. Um diese Ziele zu erreichen, nutzten die Wissenschaftler eine beeindruckende Reihe von Beobachtungsinstrumenten: das einzigartige russische Radioteleskop RATAN-600 und das Large Azimuthal Telescope (BTA) mit einem 6. Hauptspiegel, die zum Speziellen Astrophysikalischen Observatorium der Russischen Akademie der Wissenschaften gehören, zwei 32-Meter-Radioteleskope RT-32 des Instituts für Angewandte Astronomie der Russischen Akademie der Wissenschaften in Burjatien, ein 22-Meter-Radioteleskop RT-22 auf der Krim sowie eine Reihe optischer Teleskope in Russland und den USA.

Die Strahlung, die Wissenschaftler heute von dieser Quelle empfangen, wurde ausgesendet, als das Universum nur etwa 10–15 % seines heutigen Alters hatte.

Alexander Popkov, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Labor für Grundlagen- und angewandte Forschung zu relativistischen Objekten des Universums am MIPT, sprach über die Forschung.

– Was ist an dem beobachteten Blazar interessant und ungewöhnlich?

- Dies ist das von uns am weitesten entfernte Objekt der gut beobachteten Blazare. Wir haben alle von Wissenschaftlern zu diesem Blazartyp erstellten Hypothesen und Modelle getestet. Darüber hinaus konnten wir durch Analysen erstmals nachweisen, dass um dieses Schwarze Loch eine große Wasserstoffwolke rotiert. Man ging davon aus, dass genau dies im frühen Universum geschah, als es noch viel dichter war. Es bildeten sich viele neue Sterne und schwarze Löcher, es gab weniger Helium und mehr Wasserstoff. Die ersten jungen Sterne bestanden fast ausschließlich aus Wasserstoff. Sie waren riesig, lebten nur sehr kurz und explodierten.

- Und woraus entstehen heute Sterne?

– Unsere Sonne ist die dritte Generation von Sternen, sie enthält Wasserstoff, viel mehr Helium und schwere Elemente. Ein weiterer Unterschied zwischen der neuen Sterngeneration besteht darin, dass sie seltener entsteht als die erste Generation. Dies liegt daran, dass es im Weltraum viel weniger Materie und Gaswolken gibt, aus denen sie entstehen können.

– Können wir sagen, dass man durch die Beobachtung des Blazars PKS 1614+051 die Vergangenheit sieht?

- Ja, das stimmt. Wir beobachten und fassen alle Informationen zusammen, die uns verschiedene wissenschaftliche Gruppen dazu liefern. Wir haben erstmals optische und Radiofrequenzdaten darauf kombiniert. Insbesondere die Tatsache, dass der Blazar aufgrund der Wechselwirkung mit der Umgebung emittiert und dass diese Umgebung, also die daneben befindliche Wasserstoffwolke, sehr schnell rotiert.

– Wie kann dieses Wissen beim Aufbau eines Modells der „Erschaffung der Welt“ helfen?

– Sie werden vor allem dazu beitragen, ein genaueres Modell der Entwicklung des Universums zum Zeitpunkt der Entstehung supermassiver Schwarzer Löcher zu erstellen und möglicherweise die Frage zu beantworten, wie dunkle Materie und dunkle Energie entstanden sind. Derzeit gibt es verschiedene Modelle von Dunkle-Materie-Teilchen, die nur schwach oder gar nicht mit gewöhnlicher Materie interagieren, und wir wissen nicht, ob sie eigene Cluster und Formationen bilden können.

Die Beobachtung von PKS 1614+051 über fast drei Jahrzehnte hinweg war wie das Ansehen eines Films über das Leben einer riesigen kosmischen Maschine im frühen Universum, nur in sehr langsamer Bewegung.