Ältestes Quasarpaar verblüfft durch enorme Masse

Schon wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existierten gewaltige Schwarze Löcher mit Millionen bis Milliarden Sonnenmassen. Schon damals verschlangen diese in den Galaxienzentren sitzenden Schwarzen Löcher so viel Material, dass sie enorme Energiemengen als Strahlung freisetzten – sie wurden zu Quasaren, den hellsten Objekten im Kosmos.

Rätsel um frühe Giganten

Doch wie konnten diese enormen Gebilde so früh und schnell heranwachsen? Astronomen vermuten, dass diese frühen Quasare in Gebieten mit ungewöhnlich viel Dunkler Materie entstanden sein müssen. Deren Anziehungskraft zog genügend Gas an, um viele Sterne und große Galaxien zu bilden – von denen die Quasare dann zehrten. Doch das reicht nicht aus, um das schnelle Wachstum dieser supermassereichen Schwarzen Löcher zu erklären. Zusätzlich müssen die Galaxien in ihrem Umfeld so dicht beieinander gelegen haben, dass sie miteinander verschmolzen und damit auch ihre zentralen Schwarzen Löcher.

Das Problem jedoch: Astronomen haben zwar schon viele Galaxien und Quasarpaare kurz vor ihrer Verschmelzung entdeckt. Aber ausgerechnet aus dem frühen Kosmos, wo solche Kollisionen eigentlich häufig gewesen sein müssten, sind solche Paare bislang rar: Forschende kennen erst drei enge Quasarpaare aus der Zeit vor mehr als 12,8 Milliarden Jahren. Eines dieser Paare ist zudem noch nicht eindeutig bestätigt.

Ferner Quasar entpuppt sich als Paar

Jetzt ist ein viertes Quasarpaar hinzugekommen – und dieses ist älter und enger beieinander als alle bisher bekannten. Aufgespürt haben es Astronomen um Silvia Onorato vom Gemini Observatory auf Hawaii, als sie Quasaraufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops analysierten. Im Rahmen der Aether-Durchmusterung hatte der Nahinfrarotspektrograf des Teleskops 200 Quasare aus der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall ins Visier genommen. Sie repräsentieren 43 Prozent aller bisher aus dieser Phase der kosmischen Morgendämmerung bekannten Quasare.

Doch einer dieser Quasare war nicht allein: Onorato und ihre Kollegen entdeckten einen bisher übersehenen zweiten Lichtfleck beim rund 12,9 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar J1602+4228A. Könnte er Teil eines engen Quasarpaares sein? Um das zu überprüfen, untersuchten die Astronomen den „Verdachtsfall“ zwei Nächte lang mit den hochauflösenden Spektrografen des Gemini-North-Teleskops.

Vergleich des neu entdeckten Quasarpaars J1602+4228AB /gelber Stern) mit anderen bekannten Paaren in Bezug auf Alter und Abstand voneinander. — © Onorato et al./ The Astrophysical Journal Letters, CC-by 4.0

„Älteste und kompakteste Paar von Quasaren“

Dies bestätigte den Verdacht: Der ferne Quasar J1602+4228A ist in Wirklichkeit ein Paar sich eng umkreisender, hochaktiver massereicher Schwarzer Löcher. Diese umkreisen sich im Abstand von nur 18.100 Lichtjahren – das ist weniger als die Entfernung vom Sonnensystem zum Zentrum unserer Milchstraße. „J1602+4228AB ist das älteste und kompakteste bekannte Paar von Quasaren aus der Zeit der kosmischen Morgendämmerung“, berichten Onorato und ihre Kollegen.

Die beiden Quasare existierten schon 900 Millionen Jahre nach dem Urknall. Sie sind damit erst das dritte eindeutig bestätigte Quasarpaar aus dieser frühen Ära des Kosmos. Zu dieser Zeit war die Strahlung der ersten Sterne und Galaxien noch dabei, den neutralen Wasserstoff des frühen Kosmos zu ionisieren. Durch diese Epoche der Reionisierung wurde der Kosmos auch für kurzwellige UV-Strahlung durchlässig. Welche Rolle Quasare dabei spielten, ist noch ungeklärt.

Die Astronomen haben das neu entdeckte Quasarpaar „Nāpōwawāʻenakaulua” getauft. Auf Hawaiianisch bedeutet dies so viel wie „Zwei Himmelskörper von unergründlich mächtiger Dunkelheit inmitten strahlender Hitze, die Energie in das Universum zurückführen“.

Das neu entdeckte Quasarpaar J1602+4228AB, auch Nāpōwawāʻenakaulua genannt, stammt aus der Morgendämmerung des Kosmos – der Epoche der Reionisierung. — © International Gemini Observatory/ NSF-NOIRLab/AURA/ P. Marenfeld, M. Zamani

Überraschend massereich

Noch ungewöhnlicher ist die große Masse der beiden Quasare: Die beiden aktiven Schwarzen Löcher sind 1,5 Milliarden und 400 Millionen Sonnenmassen schwer. Zum Vergleich: Das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße wiegt „nur“ rund vier Millionen Sonnenmassen. „Es ist verblüffend, dass diese Quasare schon damals so massereich waren wie heute die supermassereichen Schwarzen Löcher in den größten Galaxien“, sagt Onorato.

Beide Quasare haben zudem eine extrem hohe „Fressrate“: Ihre Helligkeit legt nahe, dass sie mehr Materie pro Zeiteinheit verschlingen, als das Eddington-Limit vorgibt. Dieses gilt als Obergrenze für die klassische Akkretion durch Schwarze Löcher. Im heutigen Kosmos gilt ein Überschreiten des Eddington-Limits als nahezu unmöglich, denn ab einer bestimmten Fressrate wird die dadurch freigesetzte Strahlung so stark, dass sie das Ansaugen weiteren Materials verhindert. Allerdings gibt es erste Hinweise darauf, dass dieses Limit im frühen Kosmos nicht galt.

Eindeutige Erklärung fehlt noch

Wie das neu entdeckte Quasarpaar so früh so massereich werden konnte, ist bislang ungeklärt. „Es gibt bisher keine eindeutige Erklärung dafür, wie einzelne dieser gigantischen Quasare so früh im Universum existieren konnten – geschweige denn gleich zwei“, erklärt Onorato.

Sie und ihr Team vermuten aber, dass das schwergewichtige Paar ein weiteres Indiz für lokale Peaks in der Materiedichte des frühen Kosmos sein könnte. Diese Zusammenballung von Dunkler Materie, Gasen und Galaxien könnte die nötigen Bedingungen geschaffen haben, um diesen beiden aktiven Schwarzen Löchern ihr schnelles Wachstum und ihre hohe Fressrate zu ermöglichen. „An Nāpōwawāʻenakaulua können wir Astronomen untersuchen, wie sich in dieser frühen Phase die allerersten massereichen Galaxien und ihre zentralen Schwarzen Löcher formten.“

Quelle: Silvia Onorato (International Gemini Observatory, Hilo, Hawaii) et al., The Astrophysical Journal Letters, 2026; doi: 10.3847/2041-8213/aeb11f