Diese künstlerische Darstellung 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 mit Abstand der hellste Quasar, der jemals im frühen Universum entdeckt wurde, jedoch nur in Bezug auf die scheinbare Helligkeit. (ESA / HUBBLE, NASA, M. KORNMESSER)

Leider haben die Astronomen den hellsten Quasar im gesamten Universum nicht gefunden

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

In der Astronomie gibt es zwei Arten von Fragen: einfache und schwierige. Bei den einfachen Fragen handelt es sich um 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 Rekordquasar im frühen Universum angekündigt: heller als 600 Billionen Sonnen. Da sein Licht 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 Besonderheit von Einsteins Relativitätstheorie, die uns hereinlegt, und wir verstehen genau, warum.

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine helle Glühbirne. Wenn Sie den Schalter einschalten, erwärmt er seinen Heizfaden und erstrahlt in brillantem Glanz, wenn er von einer Standardanzahl von 100 Watt angetrieben wird. Sie können einen gewissen Abstand davon einhalten und genau vorhersagen, wie hell es erscheinen soll. Und das funktioniert auch umgekehrt: Wenn Sie die Entfernung messen können und wie hell es erscheint, können Sie genau ableiten, wie hell es ist.

Diese Denkweise hat jedoch 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 Vergrößerungskraft Ihres Objektivs ist, desto größer ist die künstliche Verstärkung. Wenn Sie ableiten möchten, wie stark Ihre Glühbirne tatsächlich leuchtet, werden Sie zu einer falschen Antwort verurteilt, da höhere Vergrößerungen Ihre Ergebnisse um einen größeren Betrag beeinträchtigen.

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 natürlich 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 gerade beobachten.

In Einsteins Relativitätstheorie bewirkt die Masse, dass sich das Gewebe der Raumzeit krümmt, wobei größere Massen eine größere Krümmung hervorrufen. Bei Licht von einem entfernten Objekt, das durch einen Bereich mit stark gekrümmter Raumzeit läuft, ist der Pfad verzerrt. Wenn die Verzerrung signifikant genug ist, kann sie eine Vielzahl von Effekten hervorrufen, einschließlich einer Streckung 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 Weitfeldbildes und gehört zu den fünf besten Quasaren, die bisher entdeckt wurden. Die Vordergrundgalaxie erzeugt vier hochsymmetrische Bilder des entfernten Quasars. Quasare sind die entferntesten Objekte im beobachtbaren Universum. (ESA / HUBBLE, NASA, SUYU ET AL.)

Wenn es um die hellsten Objekte im ultrafernen 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 zu sehen sind, 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 Sternexplosionen ausgesetzt sind, große Mengen an Materie ansammeln und verschlingen. Dabei wachsen die Schwarzen Löcher, und die sie umgebenden Regionen senden große Mengen elektromagnetischer Strahlung aus, vom Radioanteil des Spektrums bis zur Röntgenstrahlung. Basierend auf der beobachteten Strahlung können wir alle möglichen Eigenschaften dieser Quasare und der von ihnen bewohnten Galaxien rekonstruieren.

Dieser neu identifizierte Quasar heißt J043947.08 + 163415.7, was wir kurz J0439 nennen werden. Es wurde in einer großflächigen Umfrage im Jahr 2017 entdeckt und erhielt im vergangenen Jahr Follow-up-Beobachtungen von Hubble. Und genau wie Sie es sich mit einer Glühbirne erhofft haben, konnten wir 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 mit sehr hoher Genauigkeit 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 zusammenfassen, 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 des Universums hat von der Erde aus gesehen ungefähr die gleiche Entfernung und das gleiche Alter wie der Quasar S5 0014 + 81, der möglicherweise das größte bekannte Schwarze Loch im Universum beherbergt. Es wird angenommen, dass diese fernen Giganten durch Fusionen oder andere gravitative Wechselwirkungen 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 Objekt, das wir in solch großen Entfernungen entdeckt haben. Gegenwärtig kennen wir Hunderte von Quasaren, die in ähnlich extremen Entfernungen gefunden wurden und deren Helligkeit von einigen Billionen bis zum 300 Billionen-fachen der Helligkeit der Sonne reicht. Dieser neue Quasar, J0439, ist jetzt mehr als doppelt so hell wie der nächsthellste. 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 wäre, können wir auf der Grundlage seiner Helligkeit eine Masse für sein zentrales Schwarzes Loch ableiten: 10 Milliarden Sonnenmassen. Wir können eine Sternentstehungsrate für die Galaxie, in der sie sich befindet, ableiten: 10.000 Sonnenmassen im Wert von neuen Sternen 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 Multiwellenlängen-Ansicht des galaktischen Zentrums der Milchstraße reicht vom Röntgenstrahl über die Optik 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 einen neuen Sonnenstern 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 aus sehr frühen Zeiten zu uns kamen: als das Universum weniger als 1,2 Milliarden Jahre alt war. Keiner ist so hell, hat so massive schwarze Löcher oder impliziert so hohe Sternentstehungsraten. Wenn dieser Quasar so hell wäre, wie diese Beobachtungen nahelegen, könnte er das extremste Objekt im gesamten Universum sein.

Das stimmt aber nicht. 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 es möglicherweise um den Faktor 50 vergrößern.

Anstatt 600 Billionen Mal so hell wie unsere Sonne zu sein, sind es vielleicht nur 10-12 Billionen Mal so hell, was es tatsächlich zu einem der leisesten Quasare macht, die jemals in solch 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 Gravitationslinsenbildung heller und größer wurde. (NASA, ESA, X. FAN (UNIVERSITY OF ARIZONA))

Die Linsensignaturen sind absolut eindeutig und unausweichlich. In den Hubble-Daten wurden mehrere Bilder aufgelöst, da Beobachtungen zeigten, dass drei separate Bilder für J0439 vorhanden waren. Die Existenz einer Vordergrundgalaxie, die nur um die notwendige Winkeldifferenz versetzt ist, ist ebenfalls deutlich sichtbar, was eine Quelle für die Gravitationslinsenbildung aufdeckt.

Die beste Interpretation dieser Daten ist, dass der Quasar möglicherweise Licht von vor 13 Milliarden Jahren sendet, aber auf halbem Wege zwischen uns und diesem Quasar krümmt sich eine interlopierende Galaxie stark durch den Raum. 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 im äußersten Umkreis des Universums gravitativ erfasst wird.

Ein Beispiel für die Gravitationslinse zeigt, wie Hintergrundgalaxien - oder ein beliebiger Lichtweg - durch die Anwesenheit einer dazwischenliegenden Masse verzerrt werden, aber es zeigt auch, wie der Raum selbst durch die Anwesenheit der Vordergrundmasse selbst gebogen und verzerrt wird. Die Vergrößerung eines solchen Objektivs kann zu Unklarheiten in Bezug auf die Eigenhelligkeit einer Quelle führen, wenn dies nicht richtig berücksichtigt wird. (NASA / ESA)

Berücksichtigt man die Auswirkungen der Gravitationslinse und die damit verbundene Raumkrümmung aufgrund der Einsteinschen Relativitätstheorie, wird dieser Quasar viel vernünftiger.

  • Anstatt 600 Billionen Mal so hell wie unsere Sonne, sind es nur ~ 12 Billionen Mal so hell, wie es bei anderen Quasaren der Fall ist.
  • Anstatt eines Schwarzen Lochs, das 10 Milliarden Mal so massereich ist wie unsere Sonne, sollte es nur 0,8 Milliarden Mal so groß sein wie die Masse unserer Sonne.
  • Und anstatt einer Sternentstehungsrate, die zehntausendmal so hoch ist wie unsere eigene Galaxie, rekonstruieren wir eine, die viel enger an anderen jungen Quasaren ausgerichtet ist: ein paar hundert bis ein paar tausend Sonnenmassen neuer Sterne pro Jahr.

Künftig sollten größere Tiefenuntersuchungen mehr Quasare am Rand leistungsstarker Gravitationslinsen aufdecken. Wir sollten noch viel mehr dieser Quasare mit geringer Leuchtkraft in großen Entfernungen entdecken, die unterhalb der Erkennungsschwellen unserer derzeitigen Observatorien liegen, ohne die Linse zu verbessern. Insbesondere für J0439 können wir davon ausgehen, dass die nachfolgenden Beobachtungen mit ALMA Aufschluss darüber geben, wie schnell sich das Material um das quasarverstärkende Schwarze Loch herum bewegt und uns einen Einblick in die tatsächliche Masse verschafft.

Der Kern der Galaxie NGC 4261 weist wie der Kern vieler Galaxien sowohl bei Infrarot- als auch bei Röntgenbeobachtungen Anzeichen eines supermassiven Schwarzen Lochs auf. Wenn wir die Bewegung des Gases, einschließlich seiner Geschwindigkeit in einer Vielzahl von Abständen vom Zentrum, um dieses Schwarze Loch herum messen, können wir einen ziemlich genauen Wert für das supermassereiche Schwarze Loch in situ 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 Objekte, die solche entdeckt haben. Nur aufgrund der Kraft der Gravitationslinse, einer zufälligen Ausrichtung einer intervenierenden Galaxie und der einzigartigen Regeln der Einstein-Relativität 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, stimmt dieser Quasar genau mit dem überein, was wir erwarten. Und das ist eine faszinierende Geschichte für sich und ohne zusätzlichen Sensationsgeist.

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