Vier Paare „Little Red Dots“ geben Hinweise auf frühe Schwarze Löcher

Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) hat vier Kandidatenpaare der rätselhaften „Little Red Dots“ (LRDs) aufgespürt. Dabei handelt es sich um kompakte, sehr rote Quellen aus dem frühen Universum, die möglicherweise eine Phase besonders schnellen Wachstums Schwarzer Löcher markieren. 81

Der entscheidende Fortschritt war eine neue Methode zur Analyse der JWST-Infrarotbilder: Statt eine Quelle nur anhand ihrer gesamten Helligkeit und Form zu beurteilen, untersuchten die Forschenden die Farben Pixel für Pixel. So konnten sie benachbarte rote Zentren voneinander trennen, die bei herkömmlichen Verfahren leicht zu einem einzigen kompakten Objekt verschmelzen. 8

Hinweise auf echte Nachbarschaften

Die vier Kandidatenpaare liegen in den COSMOS-Web-Aufnahmen nur 0,2 bis 1,2 Bogensekunden auseinander. Die pixelweise Farbauswahl wurde dabei mit weniger strengen Anforderungen an die Kompaktheit kombiniert – genau das machte es möglich, auch sehr nahe oder teilweise überblendete Konfigurationen zu erkennen. 8

Für zwei der Paare lieferten zusätzlich sogenannte schlitzlose Spektren aus der JWST/COSMOS-3D-Durchmusterung ein wichtiges Indiz: In beiden Mitgliedern eines jeweiligen Paares wurde eine Emissionslinie bei derselben beobachteten Wellenlänge gefunden. Werden die breiten Linien mit hoher äquivalenter Breite als H-alpha interpretiert, ergeben sich gemeinsame Rotverschiebungen von 5,822 und 5,464. Das spricht dafür, dass die Objekte physisch miteinander verbunden sind – und nicht bloß zufällig auf derselben Sichtlinie liegen. 8

Aus diesen Rotverschiebungen ergeben sich projizierte Abstände von 1,64 und 7,36 Kiloparsec. Das entspricht ungefähr 5.300 beziehungsweise 24.000 Lichtjahren. Wir sehen die vier Systeme somit so, wie sie vor rund 12,5 bis 12,8 Milliarden Jahren existierten. 8

Auch statistisch passen die Beobachtungen schlecht zu einem Zufall. Vergleiche mit künstlich erzeugten Katalogen zeigen, dass zufällige Überlagerungen entlang der Sichtlinie die geringen Abstände kaum erklären können. Die auf kleinen Skalen abgeleitete Häufung von LRDs ist etwa 20- bis 30-mal stärker als eine Hochrechnung des großräumigen JWST-Signals für die Korrelation aktiver Galaxienkerne. 8

Was die Paare über das Wachstum Schwarzer Löcher verraten könnten

Falls beide LRDs eines Paares aktive, Materie ansammelnde Schwarze Löcher beherbergen, könnten spätere Verschmelzungen ihre Massen zusammenführen. Zugleich kann eine solche Wechselwirkung Gas in Richtung des gemeinsamen Zentrums treiben und damit weitere, schnelle Akkretion ermöglichen. Wiederholte Verschmelzungen zusammen mit der Aufnahme von Gas wären ein möglicher Weg, im vergleichsweise kurzen Zeitraum nach dem Urknall sehr massereiche Schwarze Löcher aufzubauen. 8

Das ist besonders interessant, weil LRDs als Kandidaten für eine frühe Wachstumsphase supermassereicher Schwarzer Löcher gelten. Warum diese Objekte offenbar so schnell wachsen, ist jedoch weiterhin ungeklärt. 81

Verschmelzungen sind nicht die einzige Erklärung

Eine wichtige Alternative ist, dass vor allem eine anhaltend ungewöhnlich hohe Gaszufuhr das schnelle Wachstum antreibt – und nicht zwingend Verschmelzungen. Mehrere Modelle und spektroskopische Untersuchungen deuten darauf hin, dass LRDs aktive Galaxienkerne sein könnten, die in dichten, optisch dicken Gashüllen oder „Kokons“ verborgen liegen. Diese Umgebung könnte sowohl den nötigen Brennstoff liefern als auch die auffällig roten Spektren erzeugen. 32

Beide Szenarien schließen einander nicht aus: Dichtes Gas kann hohe Akkretionsraten vor, während und nach einer Verschmelzung ermöglichen. Die bisherigen Daten zeigen daher noch nicht, welchen Anteil Verschmelzungen und welchen Anteil die direkte Gasakkretion am frühen Wachstum Schwarzer Löcher hatten. 83

Was größere JWST-Durchmusterungen klären sollen

Mit größeren und tieferen JWST-Datensätzen lässt sich künftig genauer bestimmen, wie häufig LRDs enge Begleiter besitzen. Forschende können dann untersuchen, wie sich dieser Anteil mit Rotverschiebung und Helligkeit verändert und ob Verschmelzungen häufig genug sind, um ein zentraler Wachstumskanal zu sein. 8

Aus solchen Messungen könnten sich außerdem bessere Vorhersagen für Verschmelzungsraten und Massen früher Schwarzer-Loch-Paare ableiten lassen. Das würde die Planung künftiger weltraumgestützter Gravitationswellendetektoren wie LISA und vorgeschlagener Detektoren im Dezihertz-Bereich unterstützen. 5

Vorerst ist die Studie deshalb vor allem ein starkes Indiz für eine ungewöhnliche Häufung enger LRD-Paare. Einen direkten Nachweis verschmelzender Schwarzer Löcher oder ihrer Gravitationswellen liefert sie noch nicht. 8