Das Rätsel der kleinen roten Punkte: wie das James-Webb-Teleskop eine kosmische Krise entschärft, die es selbst ausgelöst hat

Sie sind klein, rot und nahezu punktförmig. Als das James-Webb-Weltraumteleskop vor vier Jahren den Betrieb aufnahm und weit in die Vergangenheit zurückschaute, enthüllte es etwas, was Astronomen noch nie zuvor gesehen hatten. Auf den Aufnahmen waren kompakte Objekte zu erkennen, die sich durch ihre rötliche Farbe von anderen Galaxien abhoben.

Zunächst hielten die Forscher die Little Red Dots für kompakte, sternreiche Galaxien im frühen Universum. Doch für ihr junges Alter waren diese Galaxien viel zu schwer. Sie hätten viel mehr Materie anhäufen müssen, als es das Standardmodell der Kosmologen in so kurzer Zeit erlaubt. Manche Forscher sprachen bereits von einer Krise der Kosmologie.

Inzwischen drängen sich andere Erklärungen auf. Eine davon lautet: Die Little Red Dots könnten massereiche Schwarze Löcher sein, die von einer dichten Wolke aus Gas verhüllt sind. Für diese Hypothese hat eine internationale Arbeitsgruppe mit dem James-Webb-Teleskop zusätzliche Belege gefunden. Diese Erklärung entschärft zwar die Krise der Kosmologie, sie wirft aber eine Menge neuer Fragen auf.

Die Little Red Dots findet man fast ausschliesslich im frühen Universum. Sie entstanden etwa 600 Millionen Jahre nach dem Urknall. Seither hat sich das Universum gewaltig ausgedehnt. Als Folge davon wurde die Wellenlänge des Lichts gestreckt, das diese Objekte damals abstrahlten. Aus UV-Licht wurde infrarotes Licht. Deshalb lassen sich diese Objekte nur mit einem Teleskop wie dem James-Webb-Teleskop untersuchen, das dieses Licht auffangen kann.

Mit dem Weltraumteleskop haben Astronomen zahlreiche Little Red Dots entdeckt. Der Vergleich offenbart diverse Gemeinsamkeiten. So knickt das Lichtspektrum dieser Objekte bei einer charakteristischen Wellenlänge ab. Ein solcher Knick entsteht, wenn Licht von einem Gas aus atomarem Wasserstoff absorbiert wird.

Im September letzten Jahres hatten zwei Arbeitsgruppen unabhängig voneinander zwei Little Red Dots vorgestellt, bei denen dieser Knick besonders ausgeprägt ist. Mit der Annahme, dass die Little Red Dots sternreiche Galaxien seien, liess sich das nicht vereinbaren. Die beiden Arbeitsgruppen stellten die Hypothese auf, dass es sich bei den Little Red Dots um sogenannte Black Hole Stars handle: Hüllen aus dichtem Gas, die von einem supermassereichen Schwarzen Loch in ihrem Zentrum befeuert werden.

Für diese Hypothese gibt es nun neue Belege. Ein Team um Vasily Kokorev von der University of Texas in Austin hat mit dem James-Webb-Weltraumteleskop ein überaus detailliertes Lichtspektrum eines Little Red Dot aufgenommen. Den Forschern spielte dabei das Glück in die Hände. Zwischen dem Little Red Dot und der Erde befindet sich ein massereicher Galaxienhaufen, der das Licht wie eine Linse bündelt und verstärkt. In nur 20 Stunden konnte das James-Webb-Teleskop deshalb so viel Licht von dem Objekt einsammeln, als wäre dieses 80 Stunden lang beobachtet worden.

Durch diesen Effekt konnten die Astronomen im Licht mehr als vierzig Spektrallinien von Elementen wie Wasserstoff, Helium, Sauerstoff und Eisen identifizieren. Die Analyse dieser Spektrallinien stützt die Hypothese, dass dieser Little Red Dot ein massereiches Schwarzes Loch ist, das von einem dichten Kokon aus Gas umgeben ist.

So sind fast alle Spektrallinien auf den Aufnahmen stark verschmiert. Das erwartet man, wenn sich Licht einen Weg durch dichtes Gas bahnt und dabei gestreut wird. Zudem muss im Zentrum der Gaswolke eine extrem helle Strahlungsquelle sitzen – vermutlich ein Schwarzes Loch, das rasend schnell Materie verschlingt. Wegen der dichten Gashülle könne man das Schwarze Loch nicht direkt sehen, sagt Pascal Oesch von der Universität Genf, der an der Untersuchung beteiligt war. «Wir kennen aber nichts, was eine vergleichbare Helligkeit verursachen könnte.»

In einer Pressemitteilung der Nasa heisst es, das James-Webb-Teleskop habe den bisher stärksten Hinweis auf einen Black Hole Star gefunden. Anna de Graaff vom Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics findet das etwas übertrieben. Vom gemessenen Spektrum allein könne man nicht auf einen Black Hole Star schliessen. Im Zusammenhang mit früheren Arbeiten sei dies aber ein faszinierendes Resultat.

De Graaff ist die Erstautorin einer der beiden Publikationen, in denen der Begriff Black Hole Star geprägt wurde. Ihr Co-Autor Pascal Oesch findet den Begriff im Nachhinein etwas unglücklich. Die Gashülle eines Black Hole Star unterscheide sich ziemlich stark von der Gasatmosphäre eines gewöhnlichen Sterns. Von einem Stern zu sprechen, könne deshalb zu Missverständnissen führen.

Einen passenden Ausdruck für diese ungewöhnlichen Objekte zu finden, ist allerdings das geringste Problem der Astronomen. Gravierender ist, dass man bis anhin erst ansatzweise versteht, wie diese Objekte entstanden sind, wie lange sie leben und was aus ihnen wird.

Manche Forscher sehen in den Little Red Dots eine Vorstufe einer anderen Klasse von extrem hellen Himmelsobjekten: den Quasaren. Diese werden ebenfalls von Schwarzen Löchern zum Leuchten gebracht, die aber hundert- bis tausendmal so massereich sind wie die Schwarzen Löcher in den Little Red Dots. Es gibt Quasare, die eine Milliarde Jahre nach dem Urknall bereits die Masse von einer Milliarde Sonnen angehäuft hatten. Wie die Schwarzen Löcher in den Quasaren so schnell so gross werden konnten, ist ein bis anhin ungelöstes Rätsel.

Für das Wachstum von Schwarzen Löchern gibt es nämlich eine natürliche Grenze, die man auch als Eddington-Grenze bezeichnet. Materie, die in ein Schwarzes Loch stürzt, erzeugt Strahlung. Geht das zu schnell, wird der Druck der Strahlung so gross, dass die Materie nach aussen gedrückt wird. Das Schwarze Loch schneidet sich also selbst die Nahrungszufuhr ab und begrenzt so sein Wachstum.

Für die supermassereichen Schwarzen Löcher in den Quasaren gebe es zwei Erklärungen, sagt de Graaff. «Entweder haben sie schon gross angefangen, oder sie sind schneller gewachsen, als es die Eddington-Grenze erlaubt.» Die Black Hole Stars könnten ein Indiz dafür sein, dass ein solches Turbowachstum möglich ist. Normalerweise ernähren sich Schwarze Löcher von einer Scheibe aus Gas. In den Black Hole Stars sind sie jedoch von allen Seiten von dichtem Gas umgeben. Das könnte den Eddington-Mechanismus aushebeln, der normalerweise den Hunger zügelt.

Diese Überlegungen seien aber spekulativ, betont de Graaff. Bis anhin gebe es keinen Beweis dafür, dass die Little Red Dots eine Vorstufe der tausendmal massereicheren Quasare seien. Im Unterschied zu den Little Red Dots seien die Quasare im frühen Universum sehr selten. Einige Little Red Dots könnten zwar in Zukunft zu Quasaren werden. Es sei jedoch schlichtweg unmöglich, dass jeder Little Red Dot so ende.

Dass man bis jetzt so wenig über die vermuteten Schwarzen Löcher in den Little Red Dots weiss, liegt an der dichten Gashülle, die den Blick verhüllt. Diese Gashülle verhindert zum Beispiel, dass die Röntgenstrahlung, die Schwarze Löcher normalerweise abstrahlen, nach aussen dringt. Damit fehlt ein wichtiges Signal.

Es scheint allerdings Ausnahmen von dieser Regel zu geben. So hat eine Arbeitsgruppe, zu der auch Anna de Graaff gehört, mit dem Röntgenteleskop Chandra ein Objekt entdeckt, das alle Merkmale eines Little Red Dot trägt, aber Röntgenstrahlung emittiert. Die Forscher vermuten, dass sich das Objekt in einem Übergangsstadium befindet. Die dichte Gashülle bestimmt zwar noch das Erscheinungsbild des Little Red Dot, sie ist aber bereits so löchrig, dass Röntgenstrahlung nach aussen dringt.

Sollte sich diese Annahme durch weitere Beobachtungen bestätigen lassen, wäre das ein grosser Fortschritt. Anhand der Röntgenstrahlung liesse sich direkt nachweisen, dass Little Red Dots tatsächlich von Schwarzen Löchern angetrieben werden. Zudem könnte man untersuchen, wie schnell diese Materie an sich reissen und wachsen. Damit sollte sich dann auch die Frage beantworten lassen, ob die Little Red Dots eine Vorstufe der supermassereichen Schwarzen Löcher in Quasaren sind. «In zwei Jahren werden wir weiter sehen», gibt sich Pascal Oesch überzeugt.