Erster Blick auf die Heimatgalaxie eines extrem weit entfernten Quasars

Weltraumteleskop Euclid entdeckt neue Quasare im frühen Universum

Auf den Punkt gebracht

• Erfolgreiche Quasar-Suche: Das Esa-Weltraumteleskop Euclid hat eine wahre Fundgrube von Quasaren im frühen Kosmos entdeckt. Zwei davon brechen bisherige Entfernungsrekorde. Weitere Entdeckungen dürften folgen.
• Normalität im frühen Universum: Dank der Güte der Himmelsdurchmusterung Euclids beobachten Astronominnen und Astronomen nicht nur die allerhellsten Quasare, sondern auch gewöhnlichere Beispiele früher Quasare.
• Quasar in massereicher, sternbildender Heimatgalaxie: Zusätzliche Beobachtungen zeigen, dass die Heimatgalaxie eines der neuen Quasare überraschend massereich ist und rasch neue Sterne bildet – ein wichtiges Puzzleteil für Modelle der Galaxienentstehung.

Mit dem Esa-Weltraumteleskop Euclid hat jetzt ein neues Kapitel der Erforschung früher Quasare und ihrer Heimatgalaxien begonnen. Neue Forschungsergebnisse von Silvia Belladitta vom Max-Planck-Institut für Astronomie samt Team haben eine der Entdeckungen von Euclid weiterverfolgt und die Galaxie näher untersucht, die eines der frühesten bekannten supermassereichen schwarzen Löcher beheimatet.

Helle Objekte mit einem dunklen Zentrum

Aktive Galaxienkerne, insbesondere sogenannte Quasare, sind für einige der hellsten Leuchterscheinungen verantwortlich, die Astronominnen und Astronomen am Himmel beobachten. Diese Kerne sind deswegen so hell, weil Materie auf ein supermassereiches schwarzes Loch fällt, das sich im Zentrum aktiver Galaxien befindet. Hierbei handelt es sich meist um schwarze Löcher mit Millionen oder Milliarden Sonnenmassen. Solche supermassereichen Schwarzen Löcher kommen in so gut wie allen Galaxien vor. Der Energieausstoß beeinflusst dabei, wie sich Sterne in der umgebenden Galaxie bilden. Entweder hemmt der aktive Galaxienkern die Sternentstehung, indem er das Gas, das den Rohstoff für neue Sterne bildet, erhitzt. Er kann durch Schocks und sonstige Energiestöße aber aber auch dazu beitragen, jenes Gas zu verdichten, und Entstehung von Sternen anzutreiben.

Die Entstehung der ersten Galaxien und ihrer zentralen schwarzen Löcher ist ein hoch aktives Forschungsgebiet. Ein wichtiger Teil des Puzzles ist dabei die Suche nach den ersten Quasaren, und die Untersuchung ihrer Heimatgalaxien, also der Galaxien, in deren Zentrum sich ein Quasar befindet. Allerdings ist solch ein Blick in die Vergangenheit immer eine Herausforderung: Wir sehen Objekte genau dann so, wie sie im frühen Universum waren, wenn ihr Licht besonders lange benötigt hat, um uns zu erreichen. Zeigt uns das Licht, das heute unsere Teleskope erreicht, uns einen Quasar so, wie er vor 13,4 Milliarden Jahren war, dann liegt das schließlich daran, dass jenes Licht 13,4 Milliarden Jahre gebraucht hat, um von jenem Quasar zu unseren Teleskopen zu gelangen.

Auf der Suche nach „gewöhnlichen“ Quasaren

Über so große Entfernungen beobachtet erscheinen selbst extrem helle Objekte, wie Quasare, vergleichsweise leuchtschwach. Die Exemplare, die man gerade noch beobachten kann, sind naturgemäß die hellsten ihrer Art, machen aber nur die Spitze des Eisbergs aus. Genau hier spielt das Esa-Weltraumteleskop seine Stärken aus: Eduardo Bañados, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Astronomie, sagt: „Zum ersten Mal können wir gewöhnliche, typische Quasare im frühen Universums untersuchen, nicht nur außergewöhnlich helle. Das liefert Informationen darüber, wie der Großteil der frühen schwarzen Löcher gewachsen ist – und wie diese schwarzen Löcher ihre Heimatgalaxien beeinflusst haben.“

Nach nur 1,5 Jahren Beobachtungszeit hat Euclid die Zahl der bekannten frühen Quasare von neun auf 21 bereits mehr als verdoppelt. Gemeint sind dabei Quasare, die wir heute so sehen, wie sie damals weniger als 800 Millionen Jahre nach dem Urknall waren. Innerhalb weniger Monate hat Euclid den Rekord der am meisten entferntesten Quasare gleich zweimal gebrochen.

Eigenschaften einer frühen Heimatgalaxie

Für einen jener gewöhnlichen frühen Quasare konnten Belladitta und ihr Team die Heimatgalaxie genauer unter die Lupe nehmen. Der Quasar trägt die Bezeichnung EUCL J125308.55+705432.3. Was uns heute an Licht von diesem Quasar erreicht, wurde vor 13 Milliarden Jahren ausgestrahlt, ganze 800 Millionen Jahre nach dem Urknall. Der Quasar ist im ultravioletten Licht nur rund 15 Prozent so hell wie andere Quasare, die bisher den Entfernungsrekord innehalten.

Für ihre Beobachtungen der Heimatgalaxie nutzten die Forschenden das Noema-Antennennetzwerk auf dem Plateau de Bure in den französischen Alpen. Die zwölf 15-Meter-Radioteleskope werden so zusammengeschaltet, dass sie wie ein einzelnes, deutlich größeres Teleskop agieren. Mit diesem Verbund beobachteten die Astronominnen und Astronomen die Heimatgalaxie bei Wellenlängen im Submillimeter-Bereich.

Mit Submillimeterlicht zu Sternentstehung und Staubgehalt

Das Team schloss auf die Rate der Sternentstehung, indem es das Licht analysierte, das ionisierter Kohlenstoff in Molekülwolken abstrahlt. Die Form dieser [CII]-Spektrallinie ermöglicht zudem abzuschätzen, die schnell sich der Kohlenstoff in der Galaxie bewegt und daraus abgeleitet durch einige Rechentricks sogar, wie viel Masse sich dort bewegt. 

Während Molekülwolken im Submillimeter-Licht bei ganz bestimmten Lichtfrequenzen strahlen, leuchtet kalter Staub in dieser Region im ganzen Sub-Millimeter Spektrum. Es handelt sich dabei um die Strahlung, die der Staub alleine aufgrund seiner Temperatur abgibt. Kalter Staub strahlt dabei genauso wie heißer Staub, nur bei niedrigeren Frequenzen. Und die Intensität dieses Lichts lässt Rückschlüsse darauf zu, mit wie viel Staub in jener Galaxie vorkommt. Die Menge an Staub wiederum hängt typischerweise mit der Menge an molekularem Wasserstoff in einer Galaxie zusammen, dem Ausgangsmaterial für neue Sterne. Die Beobachtungen mit Noema deuten auf reichlich Staub und molekularen Wasserstoff hin.

Die Sternentstehungsrate rekonstruieren

Aus ihren Beobachtungen haben Belladitta und ihr Team wichtige Eigenschaften der Galaxie rekonstruiert, in der sich der Quasar befindet. In jener Galaxie entstehen offenbar jedes Jahr neue Sterne mit einer Gesamtmasse von mehr als 250 Sonnenmassen. In der Milchstraße entstehen zum Vergleich nur Sterne mit rund einer Sonnenmasse pro Jahr. Die hohe Sternentstehungsrate kommt angesichts früherer Beobachtungen an weniger weit entfernten Quasaren aber nicht unerwartet. Die Masse der Galaxie ergibt sich zu rund zehn Milliarden Sonnenmassen. Das ist rund ein Zehntel der Masse unserer Milchstraße, und passt zu einer frühen Galaxien, die den Großteil ihres Wachstums erst noch vor sich hat.

„Wir haben eine Galaxie gefunden, die alle Zutaten dafür besitzt, einmal zu einem wirklich großen Exemplar zu werden: Sie ist so massereich wie die Heimatgalaxien der hellsten frühen Quasare, und sie enthält ein riesiges Reservoir an molekularem Gas, das intensive Sternentstehung ermöglicht. Das eröffnet eine faszinierende Möglichkeit: UV-schwache Quasare wie EUCL J125308.55+705432.3 befinden sich möglicherweise in einerm anderen Entwicklungsstadium als ihre leuchtkräftigeren Verwandten. Entweder wächst das Schwarze Loch bei ihnen langsamer als bei den hellsten Quasaren, oder aber ein Großteil ihrer Aktivität ist hinter dichten Staubwolken verborgen. Welche dieser Möglichkeiten zutrifft, müssen wir jetzt mit Hilfe zukünftiger Beobachtungen herausfinden“, sagt Silvia Belladitta.

Zukunftspläne

Für unser Gesamtbild der Galaxienentwicklung sind das nur einzelne, dafür aber wichtige Puzzleteile. Nach sechs Jahren dürfte das Weltraumteleskop Euclid noch hunderte weitere solcher Quasare finden. Detaillierte Studien wie die von Belladitta und ihren Kolleginnen und Kollegen werden dazu dienen, jeweils Informationen über die Sternentstehungsraten und Galaxienmassen zu liefern. Damit dürfte nach und nach ein immer vollständigeres Bild der frühesten Galaxien und ihrer supermassereichen schwarzen Löcher entstehen. 

MN/MPIA, BEU/MPG

 

Hintergrundinformationen

Die hier beschriebenen Ergebnisse wurden veröffentlicht als Belladitta et al. „Euclid: A UV-faint quasar in a highly luminous star-forming host galaxy at z≈7.7“ in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics, doi:10.1051/0004-6361/202659319. Die Ergebnisse der Euclid-Quasar-Suche wurden veröffentlicht als D. Yang et al., „Euclid: Discovery of 31 new quasars at 6.6 < z < 7.8“ in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics, doi:10.1051/0004-6361/202658883.

Die beteiligten Wissenschaftler des MPIA sind Silvia Belladitta, Eduardo Banados, Fabian Walter, Knud Jahnke, Sarah Bosman, Julien Wolf und Mischa Schirmer in Zusammenarbeit mit Roberto Decarli (INAF-Observatorium, Bologna), Daming Yang (Sternwarte Leiden), Francesco Guarneri (Universität Hamburg) und dem Rest der Euclid-Kollaboration.

Euclid ist eine Mission der ESA, die die Eigenschaften von dunkler Energie und dunkler Materie über die gesamte bisherige kosmische Geschichte hinweg vermessen soll. Seit dem Start des Weltraumteleskops im Jahre 2023 ist Euclid dabei, rund ein Drittel des Himmels zu durchmustern, Bilder von zwei Milliarden Galaxien aufzunehmen und die genauen Entfernungen von rund 50 Millionen Galaxien zu bestimmen. Die erste große Datenveröffentlichung von Euclid, DR1, wird der internationalen wissenschaftlichen Community im November 2026 Daten zu einer Fläche von fast 2000 Quadratgrad liefern. Das Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) ist Gründungsmitglied des Euclid-Konsortiums, einer Gruppe von mittlerweile mehr als 150 Institutionen in Europa, Kanada, Japan und den USA. Während der Bauphase hat das MPIA Hardware für das Nahinfrarot-Instrument an Bord von Euclid beigesteuert. Aktuell sind Wissenschaftler des MPIA am Betrieb des Weltraumteleskops beteiligt und leiten die gesamten Kalibrierungsarbeiten für Euclid.