Der Eindruck dieses Künstlers zeigt, wie J043947.08 + 163415.7, ein sehr entfernter Quasar, der von einem supermassiven Schwarzen Loch angetrieben wird, aus der Nähe aussehen kann. Dieses Objekt ist bei weitem das hellste Quasar, das bisher im frühen Universum entdeckt wurde, jedoch nur in Bezug auf die scheinbare Helligkeit. (ESA / HUBBLE, NASA, M. KORNMESSER)

Entschuldigung, Astronomen haben den hellsten Quasar im gesamten Universum nicht gefunden

Mit Hilfe von Einsteins Schwerkraft und der Kraft des Hubble-Weltraumteleskops ist es der hellste Quasar, den wir je entdeckt haben.

In der Astronomie gibt es zwei Arten von Fragen zu beantworten: einfache und schwierige. Die einfachen Fragen betreffen Objekte in der Nähe, die reichlich vorhanden und leicht zu sehen sind. Bei den harten handelt es sich um entfernte Objekte, die selten und schwer zu finden sind. In vielerlei Hinsicht besteht die größte Frage darin, zu bestimmen, was an den größten kosmischen Extremen geschieht.

In einem spektakulären neuen Fund haben Astronomen einen rekordverdächtigen Quasar im frühen Universum angekündigt: heller als 600 Billionen Sonnen. Mit seinem Licht, das vor 13 Milliarden Jahren - nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall - zu uns kam, impliziert seine Helligkeit, dass es von einem schwarzen Loch angetrieben wird, das 10 Milliarden Mal so groß ist wie die Masse unserer Sonne.

Diese Schlussfolgerung ist jedoch völlig falsch. Es ist eine Eigenart von Einsteins Relativitätstheorie, die uns austrickst, und wir verstehen genau, warum.

„Standardkerzen“ eignen sich hervorragend, um Entfernungen basierend auf der gemessenen Helligkeit abzuleiten, jedoch nur, wenn Sie sich der Eigenhelligkeit Ihrer Kerze sicher sind. Wenn Sie etwas sehen, das eine bestimmte Helligkeit und Entfernung zu haben scheint, aber falsch identifizieren, was mit diesem Licht auf dem Weg passiert, können Sie die Eigenhelligkeit der Kerze falsch berechnen. (NASA / JPL-CALTECH)

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine helle Glühbirne. Wenn Sie den Schalter einschalten, erwärmt er sein Filament und leuchtet brillant, wenn er mit einer Standardzahl von 100 Watt betrieben wird. Sie können einen gewissen Abstand davon halten und genau vorhersagen, wie hell es erscheinen soll. Und das funktioniert auch umgekehrt: Wenn Sie die Entfernung messen und wie hell sie erscheint, können Sie genau ableiten, wie hell sie ist.

Aber diese Denkweise hat eine Einschränkung. Sie müssen sicherstellen, dass nichts das Licht vergrößert, das Sie von Ihrem Standort im Weltraum aus sehen. Wenn Sie diese Glühbirne durch eine Lupe betrachten, erhalten Sie immer noch die richtige Entfernungsmessung, aber Sie messen eine scheinbare Helligkeit, die künstlich verbessert wurde. Je größer die Vergrößerungsstärke Ihres Objektivs ist, desto größer ist die künstliche Verbesserung. Wenn Sie darauf schließen möchten, wie stark Ihre Glühbirne an sich leuchtet, sind Sie auf eine falsche Antwort ausgerichtet, wobei höhere Vergrößerungen Ihre Ergebnisse um größere Beträge beeinflussen.

Gravitationslinsen, die eine Hintergrundquelle vergrößern und verzerren, ermöglichen es uns, schwächere, weiter entfernte Objekte als je zuvor zu sehen. (ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), L. CALÇADA (ESO), Y. HEZAVEH ET AL.)

Es gibt keine Lupen, die natürlicherweise im Weltraum vorkommen, aber es gibt das sehr reale Phänomen der Gravitationslinse. Wenn Sie ein entferntes Objekt im Universum betrachten, besteht die sehr reale Möglichkeit, dass eine große Masse entlang Ihrer Sichtlinie zu dem existiert, was Sie beobachten.

In Einsteins Relativitätstheorie bewirkt Masse, dass sich das Gewebe der Raumzeit krümmt, wobei größere Massen eine größere Krümmung induzieren. Licht von einem entfernten Objekt, das durch einen Bereich stark gekrümmter Raumzeit geht, wird verzerrt. Wenn die Verzerrung signifikant genug ist, kann sie eine Vielzahl von Effekten verursachen, einschließlich einer Dehnung des beobachteten Bildes, der Erzeugung mehrerer Bilder und einer starken Vergrößerung des von der Quelle stammenden Lichts.

HE0435–1223 befindet sich in der Mitte dieses Weitfeldbilds und gehört zu den fünf besten bisher entdeckten Quasaren mit Linsen. Die Vordergrundgalaxie erzeugt vier hochsymmetrische Bilder des entfernten Quasars um sie herum. Quasare sind die am weitesten entfernten Objekte im beobachtbaren Universum. (ESA / HUBBLE, NASA, SUYU ET AL.)

Wenn es um die hellsten Objekte im ultra-fernen Universum geht, verwenden wir keine Glühbirnen. Wir verwenden nicht einmal Sterne, Galaxien oder Supernovae. In solch großen Entfernungen sind die einzigen Einzelobjekte, die in großer Zahl gesehen werden können, Quasare. Kurz nach dem Urknall bildete das Universum zum ersten Mal Sterne, was zu Schwarzen Löchern, Fusionen und Galaxien führte. Mit der Zeit tauchten schließlich die ersten supermassiven Schwarzen Löcher in den Zentren dieser jungen Galaxien auf.

Diese Schwarzen Löcher können, wenn ihre Wirtsgalaxien großen Sternentstehungsstößen ausgesetzt sind, große Mengen an Materie ansammeln und verschlingen. Dabei wachsen die Schwarzen Löcher und die sie umgebenden Regionen emittieren große Mengen elektromagnetischer Strahlung vom Funkbereich des Spektrums bis zum Röntgenstrahl. Basierend auf der Strahlung, die wir beobachten, können wir alle möglichen Eigenschaften dieser Quasare und der Galaxien, in denen sie leben, rekonstruieren.

Dieser neu identifizierte Quasar heißt J043947.08 + 163415.7 und wird kurz J0439 genannt. Es wurde 2017 in einer großflächigen Umfrage entdeckt und erhielt letztes Jahr Follow-up-Beobachtungen von Hubble. Und - genau wie Sie es sich mit einer Glühbirne erhoffen - wir konnten die Entfernung und Helligkeit dieses Objekts messen.

Wir können sehr genau messen, wie weit dieser Quasar entfernt ist, und einen Wert erhalten, indem wir das anwenden, was wir über das expandierende Universum wissen: 28,1 Milliarden Lichtjahre entfernt.

Wir können sehr genau messen, wie hell der Quasar erscheint, indem wir sein Licht sammeln, und das gibt uns eine direkte Messung der scheinbaren Helligkeit.

Und wenn wir diese beiden Zahlen zusammenfügen, erhalten wir diese Zahl für die innere Leuchtkraft des Quasars: 600 Billionen Mal die Helligkeit der Sonne.

Der vom Quasar GB 1428 am weitesten entfernte Röntgenstrahl im Universum hat von der Erde aus gesehen ungefähr die gleiche Entfernung und das gleiche Alter wie der Quasar S5 0014 + 81, in dem sich möglicherweise das größte bekannte Schwarze Loch im Universum befindet. Es wird angenommen, dass diese entfernten Giganten durch Fusionen oder andere Gravitationswechselwirkungen aktiviert werden, die ebenfalls zu einem signifikanten Anstieg der Sternentstehungsrate in diesen Wirtsgalaxien führen. (Röntgen: NASA / CXC / NRC / C.CHEUNG ET AL; OPTISCH: NASA / STSCI; RADIO: NSF / NRAO / VLA)

Wenn das wahr wäre, wäre dieses Objekt bei weitem das hellste, was wir in so großen Entfernungen entdeckt haben. Wir kennen derzeit Hunderte von Quasaren, die in ähnlich extremen Entfernungen gefunden wurden und deren Helligkeit zwischen einigen Billionen und vielleicht 300 Billionen Mal der Leuchtkraft der Sonne liegt. Dieser neue Quasar, J0439, ist jetzt mehr als doppelt so hell wie der nächsthellere. Einige behaupten sogar, dass es der hellste Quasar im frühen Universum sein könnte.

Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie extrem ein solcher Quasar sein würde, können wir aus seiner Helligkeit eine Masse für sein zentrales Schwarzes Loch ableiten: 10 Milliarden Sonnenmassen. Wir können eine Sternentstehungsrate für die Galaxie ableiten, in der sie sich befindet: 10.000 Sonnenmassen neuer Sterne pro Jahr.

Zum Vergleich: Unsere Milchstraße hat ein supermassereiches Schwarzes Loch mit nur 4 Millionen Sonnenmassen und bildet jedes Jahr weniger als 1 Sonnenmasse an neuen Sternen.

Diese Mehrwellenlängenansicht des galaktischen Zentrums der Milchstraße reicht vom Röntgenstrahl über das optische bis ins Infrarot und zeigt Schütze A * und das etwa 25.000 Lichtjahre entfernte intragalaktische Medium. Das Schwarze Loch hat eine Masse von ungefähr 4 Millionen Sonnen, während die Milchstraße als Ganzes jedes Jahr weniger als eine neue Sonne Sterne bildet. Später in diesem Jahr wird das EHT mithilfe von Funkdaten den Ereignishorizont des Schwarzen Lochs auflösen. (Röntgen: NASA / CXC / UMASS / D. WANG ET AL.; OPTISCH: NASA / ESA / STSCI / D. Wang ET AL.; IR: NASA / JPL-CALTECH / SSC / S. STOLOVY)

Es wurden ungefähr 500 Quasare entdeckt, die schon sehr früh zu uns kamen: als das Universum weniger als 1,2 Milliarden Jahre alt war. Keiner ist so hell, hat schwarze Löcher, die so massiv sind, oder impliziert Sternentstehungsraten, die so groß sind. Wenn dieser Quasar so hell wäre, wie diese Beobachtungen implizieren, könnte er das extremste Objekt im gesamten Universum sein.

Aber es ist nicht wahr. Der Quasar J0439 ist nicht 600 Billionen Mal so hell wie unsere Sonne und definitiv nicht der hellste Quasar im Universum. Stattdessen zeigt J0439 die verräterischen Anzeichen von Gravitationslinsen, die diese möglicherweise um den Faktor 50 vergrößern.

Anstatt 600 Billionen Mal so hell wie unsere Sonne zu sein, könnte es nur 10 bis 12 Billionen Mal so hell sein, was es tatsächlich zu einem der schwächsten Quasare machen würde, die jemals in so großer Entfernung entdeckt wurden.

Dieses Bild zeigt den entfernten Quasar J043947.08 + 163415.7, wie er mit dem Hubble-Weltraumteleskop der NASA / ESA beobachtet wurde. Der Quasar ist eines der hellsten Objekte im frühen Universum. Aufgrund seiner Entfernung wurde es jedoch erst sichtbar, als sein Bild durch Gravitationslinsen heller und größer wurde. (NASA, ESA, X. FAN (UNIVERSITÄT ARIZONA))

Die Linsensignaturen sind völlig eindeutig und unausweichlich. In den Hubble-Daten wurden mehrere Bilder aufgelöst, da Beobachtungen die Existenz von drei separaten Bildern für J0439 zeigten. Die Existenz einer Vordergrundgalaxie, die nur um den erforderlichen Winkelunterschied ausgeglichen ist, ist ebenfalls deutlich sichtbar und zeigt eine Quelle für Gravitationslinsen.

Die beste Interpretation dieser Daten ist, dass der Quasar möglicherweise Licht von vor 13 Milliarden Jahren sendet, aber ungefähr auf halber Strecke zwischen uns und diesem Quasar krümmt eine sich ineinandergreifende Galaxie den Raum stark. Wenn wir rekonstruieren, was vorhanden sein muss, um diese Beobachtungen zu erklären, schließen wir, dass dies nicht der hellste Quasar ist, der in so großen Entfernungen nachgewiesen wird. Es ist der erste Quasar, der in den entferntesten Bereichen des Universums durch Gravitationslinsen erfasst wird.

Ein Beispiel für Gravitationslinsen zeigt, wie Hintergrundgalaxien - oder ein beliebiger Lichtweg - durch das Vorhandensein einer dazwischenliegenden Masse verzerrt werden, zeigt aber auch, wie der Raum selbst durch das Vorhandensein der Vordergrundmasse selbst gebogen und verzerrt wird. Die Vergrößerung einer solchen Linse kann zu Verwirrung hinsichtlich der Eigenhelligkeit einer Quelle führen, wenn sie nicht richtig berücksichtigt wird. (NASA / ESA)

Wenn wir die Auswirkungen der Gravitationslinse zusammen mit der damit verbundenen Krümmung des Raums aufgrund der Einsteinschen Relativität berücksichtigen, wird dieser Quasar viel vernünftiger.

  • Anstelle von 600 Billionen Mal so leuchtend wie unsere Sonne ist es nur ~ 12 Billionen Mal so hell wie andere Quasare.
  • Anstelle eines Schwarzen Lochs, das 10 Milliarden Mal so massereich ist wie unsere Sonne, das zu solch frühen Zeiten noch nicht bekannt war, sollte es nur das 0,8 Milliarden Mal so große Masse unserer Sonne haben, was mit anderen großen supermassiven Schwarzen Löchern in diesen frühen Stadien übereinstimmt.
  • Und anstatt einer Sternentstehungsrate, die zehntausendmal so hoch ist wie unsere eigene Galaxie, rekonstruieren wir eine, die viel enger mit anderen jungen Quasaren übereinstimmt: ein paar hundert bis ein paar tausend Sonnenmassen neuer Sterne pro Jahr.

In Zukunft sollten größere Tiefenuntersuchungen mehr Quasare am Rande starker Gravitationslinsen aufdecken. Wir sollten viel mehr dieser Quasare mit geringer Leuchtkraft in großen Entfernungen entdecken, die unterhalb der Nachweisschwellen unserer derzeitigen Observatorien liegen, ohne die Linsen zu verbessern. Insbesondere für J0439 erwarten wir, dass die nachfolgenden Beobachtungen mit ALMA zeigen, wie schnell sich das Material um das quasarbetriebene Schwarze Loch bewegt, und uns ein Fenster in seine tatsächliche Masse geben.

Der Kern der Galaxie NGC 4261 zeigt wie der Kern vieler Galaxien sowohl bei Infrarot- als auch bei Röntgenbeobachtungen Anzeichen eines supermassiven Schwarzen Lochs. Wenn wir die Bewegung des Gases einschließlich seiner Geschwindigkeit in verschiedenen Abständen vom Zentrum um dieses Schwarze Loch messen, können wir einen ziemlich genauen Wert für das in situ supermassive Schwarze Loch ableiten. (NASA / HUBBLE UND ESA)

Dieser neue Quasar ist faszinierend, aber nicht aus den Gründen, die Sie vielleicht gehört haben. Es ist nicht das hellste Objekt in der Nähe unserer kosmischen Morgendämmerung, sondern eines der schwächsten dieser Objekte, die entdeckt wurden. Nur aufgrund der Kraft der Gravitationslinse, der zufälligen Ausrichtung einer dazwischenliegenden Galaxie und der einzigartigen Regeln der Einsteinschen Relativitätstheorie konnten wir sie überhaupt finden.

Wir haben vielleicht den Quasar mit der größten scheinbaren Helligkeit im frühen Universum gefunden, was an und für sich bemerkenswert ist. Unser Ziel ist es jedoch, das Universum so zu verstehen, wie es ist, und nicht so, wie es uns erscheint. Wenn wir das berücksichtigen, entspricht dieser Quasar genau dem, was wir erwarten. Und das ist eine faszinierende Geschichte für sich, ohne dass zusätzliche Sensation erforderlich ist.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.