Klaas S. de Boer
    Argelander Institut für Astronomie (Abt. Sternwarte), Univ. Bonn

Anfang Dezember 2017 hat eine Astronomen-Gruppe angekündigt, das weitest entfernte Schwarze Loch im Universum gefunden zu haben, einen Quasar mit Namen J1342+0928 in einer Entfernung von 13 Milliarden Lichtjahren. Er soll innerhalb von 690 Millionen Jahren nach dem Urknall entstanden sein. Was ist die Bedeutung dieser Entdeckung? Was ist ein Quasar und was macht so ein Objekt? Wie hat man die Entfernung bestimmt? Und hat diese Entdeckung Konsequenzen für unser Verständnis der Entwicklung des Universums?

Ein großes mehrjähriges Suchprojekt nach immer weiter entfernten Quasaren unter der Leitung von Fabian Walter und Bram Venemans am Max Planck Institut für Astronomie ermöglichte diese Entdeckung. Eduardo Bañados vom Carnegie Institution for Science erkannte das Objekt mit dem institutseigenen 6.5 meter Magellan Teleskop in Chile, wobei astronomische Durchmusterungsdaten vom WISE Infrarot Space Teleskop der NASA die Grundlage bildeten. [Text von MPIA quasar.]

Kosmologische Forschung, wie die am besagten Quasar, basiert auf vielen logischen Forschungsschritten. In diesem Text soll versucht werden, grundlegende Aspekte zu erklären und die Bedeutung dieser Entdeckung für die heutige Kosmologie nahe zu bringen.

"Schwarzes Loch" ist der Name eines Objekts mit gewaltiger Schwerkraft an seiner Oberfläche derart, dass sogar Licht nicht vom Objekt entweichen kann. Die Existenz der Objekte mit dem "nichts-kommt-heraus" Effekt wurde 1915 vorhergesagt. Schwarzschild hatte in dem Jahr diese Konsequenz von Einsteins Relativitätstheorie für sehr schwere Objekte beschrieben. Im Namen "Schwarzes Loch", der allerdings erst viel später entstand, deutet das schwarz auf den "nichts-kommt-heraus" Effekt,

Geometrie des Schwarzen Lochs. Ein sehr kompaktes und schweres Objekt erzeugt einen sehr tiefen Schwerkraftstopf. Der rote Kreis markiert den Schwarzschild-Radius (auch Horizont genannt), die Stelle, von wo nichts, nicht mal das Licht, entweichen kann. Im Falle eines unendlich tiefen Topfs würde der tiefste Punkt eine mathematische Singularität sein. Da ein Schwarzes Loch auf einem sehr kompakten Objekt basiert, entstanden aus normaler Materie, wird der Topf normalerweise eine endliche Tiefe haben.

das Loch ist ein Hinweis auf die graphische Beschreibung seines Schwerkraftfeldes, meistens als eine sehr tiefe Mulde gezeichnet und daher einen Loch ähnelnd. (Grundwissen über Sterne und Sternentwicklung ist zu finden im Lehrbuch von de Boer & Seggewiss, 2008; hiernach dBS.)

In den Jahrzehnten danach konnte man nur über schwarze Löcher spekulieren. Ab den 1970er Jahren wurden mit Röntgenmessungen viele nicht ausgedehnte aber im Röntgenberich helle Objekte am Himmel entdeckt. Dann wurde ein heißer Stern an der Stelle so einer Röntgenquelle gefunden. Überraschenderweise war es ein "wackelnder" Stern, er bewegte sich um ein anderes Objekt (wie aus der sich rhythmisch ändernden Geschwindigkeit hervorging). Aber das Begleitobjekt war nicht zu sehen. Aus der Erfahrung mit der Erforschung der Doppelsterne folgte aber, dass der Begleiter mindestens 5 Sonnenmassen schwer sein sollte (dBS Ch.19). Sterne mit derart viel Masse sollten hell strahlen. Da nichts gesehen werden konnte, und da die Doppelnatur zweifelsfrei war, schloss man, dass der Begleiter ein Schwarzes Loch ist. Diese Entdeckung (und viele danach) hat sicher dazu beigetragen, den Motor hinter der Röntgenastronomie, Ricardo Giacconi, mit dem Nobelpreis 2002 zu ehren.

Solche schwarzen Löcher entstehen, wenn ein sehr massereicher Stern das Ende seines Lebens erreicht (siehe Sternentwicklung). Der Stern hat mehrere Phasen der Kernfusion hinter sich (erst Wasserstoff zu Helium, dann Helium zu Kohlenstoff, usw.; dBS Ch.5), bis es im zentralen Bereich des Sterns vorwiegend das kompakteste Element schlechthin gibt: Eisen. Eisen kommt normalerweise nicht zur Bildung noch schwererer Elemente. Mit immer dichteren höher liegenden Schichten im Stern (immer dichter wegen dort fortschreitender Kernfusion) kann der Zentralbereich dieses Gewicht nicht weiter tragen und die freien Elektronen dort werden in den Eisenkernen hinein gedrückt, was zu "Neutronisierung" führt. Der Zentralbereich stürzt ein (dBS Ch.18), die äußeren Schichten (z.T. mit nuklear angereichertem Material) werden in einer Explosion weggeblasen (das macht das Geschehen zur Supernova Typ II), und der massereiche neutronisierte Zentralbereich schrumpft bis innerhalb des sogenannten Schwarzschild-Radius (wie 1915 formuliert), so dass kein Licht mehr entweichen kann. Erstaunlich: ein Schwarzes Loch entsteht..... um unsichtbar zu sein!

Die ersten Quasare ("quasi stellar radiosource") wurden Ende der 1950er Jahre in Himmelsdurchmusterungen bei Radiowellenlängen entdeckt (siehe Wikipedia). Und "quasi stellare Objekte" wurden im Optischen gefunden. Maarten Schmidt gelang 1967, das erste optische Spektrum eines QSO zu gewinnen. Bald wurde klar, Quasare und QSOs sind sehr ähnlich und werden seitdem alle Quasar genannt. Quasare setzen gigantische Mengen an Strahlung frei, manchmal mehr als alle Strahlung einer ganzen Galaxie. Damit leuchtet es ein, dass Quasare bis ans Ende des Universums gesehen werden können. Mit Hilfe von Infrarot-Teleskopen und vom Hubble Teleskop wurden in einigen Fällen die Galaxien selber des Quasars detektiert. Diese Galaxien sind normalerweise zu schwach, um neben der Glut des Quasars gesehen zu werden, es sei denn, man arbeitet mit speziellen Techniken (Wikipedia). Messungen im Röntgenbereich

Künstlerische Darstellung eines Quasars.    Das supermassive schwarze Loch ist von einer Scheibe umgeben, Material, das hineingezogen wird. Zwei Strahlen spucken hoch-energetisches Material in Polrichtung heraus. (Bild: Carnegie Institution for Science)

zeigten, dass die Zentren einiger dieser Galaxien röntgenhell waren. Dazu, das Licht dieser Zentralbereiche zeigte viele spektrale Strukturen, die auf Strahlung von hoch angeregten und ionisierten Atomen hinwiesen. Diese Kombination deutet darauf, dass die Zentren großer Galaxien gelegentlich Quasaren ähneln. Inzwischen hatte man bei Messungen im Sichtbaren Aktive Galaktische Kerne (AGNs) gefunden. Da kamen eins und zwei zusammen: manche Galaxie hat ein Quasar und daher ein Schwarzes Loch im Zentrum.

Die Strahlung eines Quasars zeigt sich als ein meistens glattes Kontinuum (Strahlung, gleichmäßig verteilt über alle Wellenlängen), was auf Strahlung eines sehr heißen Plasmas hinweist. Das gängige Modell eines Quasars ist ein extrem schweres Schwarzes Loch umgeben von einer Scheibe mit Material, das in den Potentialtopf des Schwarzen Lochs hineingezogen wird, eine Akkretionsscheibe (Bild oben). Das Hineinfallen bedeutet immer einen Rotationseffekt, die Scheibe rotiert generell und der innere Bereich unheimlich schnell, mit viel Reibung und daher sehr heiß. Dadurch, dass dort vorhandene Magnetfelder mitgeschleppt und verdreht werden, gibt es Prozesse, die Material in engen Bündeln in polare Richtung hinausschießen.  [ Anmerkung: die Entstehung junger Sterne geht ebenfalls mit einer Akkretionsscheibe einher; darin formen sich ggf Planeten (dBS Ch.7, und Orion).]

Das Zentrum unserer Milchstraße hatte man schon über Jahrzente untersucht, aber der interstellare Staub auf dem Weg dorthin hatte eine gute Sicht verhindert. Sobald Geräte entwickelt waren, die im nahen Infrarot (IR) messen konnten (der Staub beeinträchtigt IR-Strahlung wenig), wurde das Zentrum der Milchstraße zugänglich. Man staunte: dort wurden Sterne in einem schnellen Umlauf um das Zentrum entdeckt. Nach einigen Jahren wurde klar, dass diese unter dem Einfluss einer sehr starken Schwerkraft standen, vorstellbar bei einem schweren Schwarzen Loch im Zentrum, ein Objekt mit einer über 10 millionen-fachen Masse der Sonne. Unsere Milchstraße ist, deshalb (und aus wissenschaftlicher Sicht glücklicherweise) kein Sonderfall unter den Galaxien.

Entfernungen im Universum wirklich messen ist schier unmöglich. Astronomen haben aber Wege zur Lösung dieses Problems gefunden. Man hat eben geeignete "Zollstöcke" entwickelt. Einzelheiten kann man finden bei Entfernungsbestimmungen. Hier aber kurz:

1. Man fängt mit Sternen an. Mit der "parallaktischen Methode" bestimmt man die Distanzen zu nahen Sternen. Dies führte zu der Definition des "Parsec" (pc), die Entfernung eines Sterns mit einer Bogensekunde in Parallax.  (Diese Entfernung entspricht 3.1 Jahre an Lichtlaufzeit, daher Entfernungsangaben in "Lichtjahren". Merke: 1000 pc =1 kiloparsec; 1000 kpc =1 Megaparsec.)  Mit diesen nahen Sternen konnte man die von einem Stern abgestrahlte Lichtmenge eichen. Zusammen mit spektroskopischer Information waren damit Sterne ziemlich genau klassifiziert.
2. Wenn man Sterne versteht, reicht die spektroskopische Information zur Klassifizierung. Dann, mit der empfangenen kleinen Lichtmenge eines Sterns im Vergleich mit der geeichten Menge, kann man die Entfernung einfach berechnen.
3. Mit dem Wissen über viele Sterne war es möglich zu sehen, dass bei einigen speziellen variablen Sternen (Sterne, deren Helligkeit rhythmisch in ihrer Stärke schwankt) stets ihre intrinsische Helligkeit zwischen gewissen Grenzen lag. Wieder konnte so aus der Schwäche des gemessenen Lichtes die Entfernung des Variablen berechnet werden. Für diese Technik waren insbesondere die Cepheid Variablen, die von sich aus hell sind, geeignet, da man sie sogar in benachbarten Galaxien erkennen konnte.

Edwin Hubble, der an vorangegangene Messungen anknüpfte, zeigte 1928 (unter Verwendung der Cepheiden), dass je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich von uns weg. Diese Fluchtgeschwindigkeit leitet man aus dem Spektrum einer Galaxie ab: Absorptionsstrukturen im Spektrum sind in Richtung rot verschoben, die sogenannte "Rotverschiebung". Dies führte zu der Idee, dass das Universum, erstaunlicherweise, expandiert. Messungen an Cepheiden mit dem Hubble Raumteleskop ermöglichten etwa fünfitg Jahre später, die Rate der Ausdehnung des nahen Universums zu kalibrieren, bis zu den Entfernungen, worin das HST die Cepheiden im dichten Sterngewusel einer Galaxie räumlich erkennen konnte. Die Expansionsrate des Universums wurde so etabliert mit 71 km/s pro Megaparsec Entfernung.

4. Ein neuer Zollstock konnte hinzugefügt werden, sobald man Supernovae des Typs Ia verstand. Solche Supernovae zeigen die Explosion eines sogenannten Weißen Zwergsterns in einem Doppelstern-System, wenn der Stern (aus Gewinn an Masse vom Nachbarn) 1.4 Mal die Masse der Sonne erreicht hat. Diese physikalisch genau begründete Masse wäre Garant dafür, dass all solche Supernovae gleich sind, also auch gleich hell werden. Damit lieferten sie einen neuen Zollstock für Entfernungen weit größer, als mit Cepheiden erreichbar war. Die gesammelten SN Typ Ia unterstützten die Expansionsrate des Universums von 71 km/s pro Megaparsec Entfernung. *)

Schließlich, wenn man der Expansionsrate des Universums traut, so kann man die in einem Spektrum verzeichnete Rotverschiebung zur Berechnung der Entfernung des Objekts benutzen. Also, in der Praxis: die Rotverschiebung ist der Zollstock für weit entlegene Objekte. Merke allerdings die Kette der Voraussetzungen und Annahmen bis zu diesem Zollstock: Sterne eichen, Cepheiden eichen, das Einheitlichsein der SN Ia annehmen, die Rotverschiebung im Universum mit Galaxien bekannter Entfernung (aus Cepheiden oder SN Ia) bestimmen, und vertrauen, dass diese Expansionsrate im ganzen Universum angewendet werden kann. Astronomen akzeptieren dies alles, sie wissen allerdings auch, dass es vielleicht nicht perfekt ist, aber dass es nichts Besseres gibt.

Die Entfernung eines Quasars wird abgeleitet aus der Rotverschiebung der Strukturen im Spektrum. Merke, dass das Spektrum bei großer Entfernung stark rotverschoben sein wird.

Das Spektrum von J1342+0928 mit der zum Roten verschobenen [C II] Strahlung und das darunter liegende Kontinuum, gemessen mit NOEMA. [C II] deutet auf große Mengen an Kohlenstoff in der Galaxie, ein Hinweis auf substantieller chemischer Entwicklung. (Von Venemans+ 2017.)

Normalerweise im Sichtbaren vorhandene Strukturen können durch die Expansion des Universums bis ins Infrarote verschoben sein. Die von einem Objekt bei kurzen Radiowellen losgeschickte Strahlung kann daher hier bei langen Radiowellenlängen eintreffen. Astronomen haben inzwischen beim Erkennen der Rotverschiebung in Spektren sehr viel Erfahrung.

Die Galaxie vom entdeckten Quasar J1342+0928 wies eine Rotverschiebung von 7.54 auf (Spektrum gemessen mit dem Millimeter-Interferometer NOEMA, in den französichen Alpen betrieben von IRAM und dem VLA, die Radioteleskope bei Soccoro, Neu Mexico). Im Spektrum wurde auf die Emission von [C II] bei 158 μm gezielt, die bei 1.349 mm gefunden wurde (Venemans+ 2017). Diese Emission zusammen mit ihrer Stärke untermauert, dass in der Galaxie schon mehrere Sterngenerationen zu der Fülle an Kohlenstoff beigetragen haben.

Die Rotverschiebung von 7.54 ist extrem groß. Sie bedeutet eine extrem große Entfernung von uns, gleichzeitig ein Zurückblicken in die Vergangenheit bis 13.1 Milliarden Jahren (13.1 Gyr, Gygajahr). Das vorherige Rekord hatte der Quasar J1120+0641 mit einer Rotverschiebung von z=7.09, daher (im "Standardmodell" der Kosmologie) 12.5 Gyr her.

Stellare schwarze Löcher entstehen, wenn massereiche Sterne als Supernova (Type II) explodieren und das Loch als Überrest zurückbleibt. Ein Doppelsystem mit massereichen Sterne kann zu einem Paar von schwarzen Löchern führen, wobei diese schwarzen Löcher irgendwann verschmelzen werden, dabei Schwerkraftwellen freisetzend. Sobald sich ein derartiges schweres schwarzes Loch gebildet hat, wird es das gesamte Material in der Umgebung in seinen tiefen gravitativen Potentialtopf hineinziehen. Das Material wird zu einer stark rotierenden Scheibe, eine sogenannte Akkretionsscheibe (siehe oben). Diese Gase strahlen stark, die Strahlung verrät dabei den hoch angeregten Zustand der Gase.

Quasarspektren zeigen Strahlung im Kontinuum mit aufgeprägten Emissionsstrukturen, Strukturen, zurückgehend auf Licht von bekannten ionisierten Elementen wie C II bei 133 nm, Si IV bei 140 nm, C IV bei 155 nm, Mg II bei 280 nm, und mehr. Das Spektrum von J1342+0928 zeigt einige von ihnen, verschoben um z=7.54, weit zur roten Seite der theoretischen Wellenlängen.

Die ersten Sterne, die nach dem Urknall im Gas entstehen, müssen extrem massereich sein (dBS Ch.15). Massen vom 100- bis 1000-fachen die der Sonne sollen es gewesen sein. Sie leben nur etwa eine Million Jahre, bis sie als Supernova explodieren und ein schwarzes Loch zurücklassen. Während dieser kurzen Lebenszeit werden durch Kernfusion große Mengen an Elementen schwerer als Wasserstoff erzeugt (dBS Ch.5), die bei der Explosion dem Umgebungsgas beigemischt wurden, so dass eine zweite Generation Sterne leichter gebildet werden kann.  [ Gas, das schwere Elemente enthält, lässt sich leichter verdichten, kommt leichter zur Sternbildung. ] Zweifelsohne werden die meisten dieser Sterne wieder als Pärchen entstehen, das zu einem Paar schwarzer Löcher führt, das verschmelzen wird. Das nun sehr schwere schwarze Loch wird alles Material aus der Umgebung (sogar kleinere Sterne) in einer Akkretionsscheibe hineinsaugen, Material, das irgendwann ins schwarze Loch stürzt, dabei das schwarze Loch eben noch massereicher machend.

Auf diese Art wird das schwarze Loch im dichtesten Teil einer Galaxie, im Zentrum, wo auch viele andere Sterne existieren, rasch sehr massereich werden und dabei Anzeichen der Merkmale eines Quasars zeigen. Es ist unklar, wie lange J1342+0928 gebraucht hat, um die gigantische Menge an Material von etwa eine Milliarden Sonnenmassen anzusammeln.

Die Strahlung des Quasars J1342+0928 dokumentiert die Akkretionsscheibe um ein schweres schwarzes Loch von etwa einem Milliardenfachen der Sonnenmasse. Die gemessene [C II] Emission repräsentiert etwa 5 Millionen Sonnenmassen an ionisiertem Kohlenstoff. Aus der Geschwindigkeitsbreite dieser Emission konnte die Masse der Galaxie selber abgeschätzt werden; sie ist von der gleichen Größe wie die Masse unserer Galaxis (Venemans+ 2017). Diese Werte zeigen, dass die Galaxie von J1342+0928 gut entwickelt ist und vermutlich nicht viel anders aussieht als die Galaxien in der Umgebung unserer Milchstraße.

Die Entfernung des J1342+0928, wie aus der Rotverschiebung abgeleitet, deutet auf eine Distanz von 13.1 Gyr in Lichtlaufzeit. Heutige Modelle für das Verhalten des Universums besagen, es sei 13.8 Gyr alt, der "Urknall" war wohl 13.8 Gyr her. Unmittelbar nach dem Urknall war das Universum extrem heiß, Materie entstand aus dem Glut erst nach ausreichender Kühlung, nach etwa einer halben Million Jahre. Dann kühlte das Universum weiter und es wurde dunkel. Nur nachdem mit Mühe die ersten Sterne entstanden waren, konnten die Gase durch die sehr kräftige Strahlung dieser Sterne wieder transparent werden. Gab es genug Zeit zwischen 13.8 und 13.1 Gyr, um Galaxien zu bilden, Sterne zu bilden, schwarze Löcher zu bilden und zu diesem gigantischen schwarzen Loch mit Quasar J1342+0928 im Zentrum seiner Galaxie zu kommen?

Astrophysiker stehen vor der Aufgabe, diese Problembereiche anzugehen. Drei Fragen sind von Bedeutung:
  a. Kann man sich vorstellen, das komplette Galaxien sich innerhalb einer Zeitspanne von 600 Millionen Jahren bilden? (Ein Vergleich: die Dynosaurier wanderten über die Erde bis vor 60 Millionen Jahren.)
  b. Kann man sich die Bildung eines schwarzen Lochs mit einem Milliardenfachen der Sonnenmasse innerhalb deutlich weniger als 600 Millionen Jahren vorstellen?
  c. Falls a) und b) nicht zufriedenstellend mit "Ja" beantwortet werden können, ist man dann gezwungen, das "Standardmodell" für das Universum anzupassen, um das Universum deutlich älter als 13.8 Gyr zu machen? In Gegenspruch zu etabliertem Wissen?

Diese Fragen müssen unabhängig voneinander beantwortet werden, vielleicht auch in Kombination. Es sind genau diese Fragen, die die Entdeckung von J1342+0928 so interessant machen!

*) In diesem Text wurde das Problem einer sich vielleicht beschleunigenden Expansion des Universums, wie aus einigen SN Ia abgeleitet, der Einfachkeitswegen außen vor gelassen.
 
Quellen:
Bañados, E., Venemans, B.P., Muzzucchelli, C., et al., 2017, Nature, 6 December
Beyvers, G., Krusch, E., 2007, "Kleines 1×1 der Relativitätstheorie"; ISBN 978-3-8334-6291-7
de Boer, K.S., Seggewiss, W., 2008, "Stars and Stellar Evolution", EDPSciences; ISBN 978-2-7598-0356-9
MPIA quasar: http://www.mpia.de/news/science/2017-14-distant-quasar
Venemans, B., Walter, F., Decarli, R., et al., 2017, Astrophysical Journal Letters 851, L8
Quasar: quasar at Wikipedia

(2017.12.24)   quasar.html