LID-568: ein Schwarzes Loch, das sich offenbar mit mehr als dem 40-Fachen der Eddington-Grenze ernährt

Der Fall LID-568 bietet einen Einblick in ein supermassereiches Schwarzes Loch in einer frühen Phase der kosmischen Geschichte. Es befindet sich im Zentrum einer Galaxie, die bereits existierte, als das Universum etwa 1,5 Milliarden Jahre alt war. Am 4. November 2024 gab NSF NOIRLab bekannt, dass ein internationales Team das Objekt anhand von Daten des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) und des Chandra-Röntgenobservatoriums untersucht hatte. Das Team schätzte, dass LID-568 offenbar mit einer Rate von mehr als dem 40-Fachen der Eddington-Grenze Materie aufnimmt, und entdeckte starke Gasströme in seiner Umgebung.

Von einer Röntgenquelle zu Beobachtungen mit Webb

Das von der Astronomin Hyewon Suh geleitete Team nutzte Webb, um eine Stichprobe von Galaxien zu beobachten, die anhand der COSMOS-Durchmusterung von Chandra ausgewählt worden waren. LID-568 fiel durch seine intensive Röntgenstrahlung auf. Die Chandra-Beobachtungen ermöglichten es jedoch nicht, die Position der Quelle genau zu bestimmen, sodass sie sich nur schwer im Webb-Sichtfeld zentrieren ließ.

Um dieses Problem zu lösen, verwendete das Team Webbs NIRSpec-Integralfeldspektrografen statt der herkömmlichen Spaltspektroskopie. Das Instrument kann für jedes Pixel seines Sichtfelds ein Spektrum aufnehmen, anstatt auf einen schmalen Streifen beschränkt zu sein. So erfassten die Beobachtungen sowohl das Zielobjekt als auch dessen Umgebung. Diese Abdeckung führte zur unerwarteten Entdeckung starker Gasströme um das zentrale Schwarze Loch.

Chandra und Webb steuerten unterschiedliche Teile der Beobachtung bei: Durch die Röntgendurchmusterung fiel LID-568 in der Stichprobe auf, während NIRSpec eine spektroskopische Untersuchung einer größeren Region um das Objekt ermöglichte. Diese Kombination half dem Team, eine Quelle zu charakterisieren, deren ursprüngliche Position nicht genau bestimmt worden war.

Was die Eddington-Grenze aussagt

Die Eddington-Grenze beschreibt ein Gleichgewicht, das mit der maximalen Leuchtkraft eines Schwarzen Lochs und der Geschwindigkeit zusammenhängt, mit der es Materie aufnehmen kann. Die Schwerkraft zieht das Material zum Schwarzen Loch, während der nach außen gerichtete Druck durch die Hitze des komprimierten, einfallenden Materials entsteht. Die vom Team mitgeteilte Schätzung ordnet die Aufnahmerate von LID-568 oberhalb dieser Grenze ein: In der Mitteilung wird sie als mehr als das 40-Fache der Eddington-Grenze beschrieben.

Bei dieser Zahl handelt es sich um eine Schätzung der Aufnahmerate des Objekts, nicht um eine direkte Beobachtung jedes einzelnen Schritts, den die Materie zurücklegt. Ihre Bedeutung liegt darin, dass sie einen konkreten Fall zur Untersuchung einer Phase der super-Eddington-Akkretion bietet, also einer Materieaufnahme, die die von Eddington beschriebene theoretische Grenze überschreitet. Die Mitteilung von NSF NOIRLab weist darauf hin, dass die Beobachtung eines supermassereichen Schwarzen Lochs in einer so frühen Epoche Hinweise darauf geben kann, wie diese Objekte rasch wuchsen.

Gasströme und rasches Wachstum

Die Forschenden nutzten Geschwindigkeit und Größe der beobachteten Ströme, um daraus zu schließen, dass ein erheblicher Teil des Wachstums von LID-568 während einer einzigen Phase rascher Akkretion stattgefunden haben könnte. Dies ist eine Interpretation der Beobachtungen und keine schrittweise Aufzeichnung der Geschichte des Schwarzen Lochs. Das Team vermutet, dass eine Phase der Materieaufnahme oberhalb der Eddington-Grenze während eines schnellen Vorgangs einen beträchtlichen Massenzuwachs ermöglichen könnte.

Das Ergebnis steht auch im Zusammenhang mit Vorstellungen über die Keime supermassereicher Schwarzer Löcher. Die vom Team erwähnten Modelle berücksichtigen leichte Keime, die beim Tod der ersten Sterne entstehen könnten, und schwere Keime, die aus dem direkten Kollaps von Gaswolken hervorgehen würden. Nach der in der Mitteilung wiedergegebenen Interpretation von Suh könnte eine Phase rascher Akkretion erheblich zum Wachstum beitragen, unabhängig davon, ob der ursprüngliche Keim leicht oder schwer war.

Die Ströme könnten helfen zu verstehen, wie eine so intensive Materieaufnahme reguliert wird. Das Team bringt als Möglichkeit ins Spiel, dass sie wie eine Art Überdruckventil wirken, einen Teil der überschüssigen Energie freisetzen und verhindern, dass das System zu instabil wird. Diese Erklärung wird als Hypothese dargestellt, die weiter untersucht werden muss.

Was weitere Beobachtungen klären könnten

NSF NOIRLab erklärte, das Team plane Folgebeobachtungen mit Webb, um die in LID-568 wirkenden Mechanismen zu untersuchen. Diese Beobachtungen könnten dazu beitragen, den Zusammenhang zwischen extremer Akkretion und Gasströmen sowie deren mögliche Funktion im System zu untersuchen. Die Hypothese vom Überdruckventil und die Schlussfolgerung, dass ein einzelner Wachstumsschub stattfand, sind Interpretationen des Teams auf Grundlage der beschriebenen Beobachtungen.

In der Mitteilung von 2024 hieß es, die Ergebnisse seien in einer Arbeit mit dem Titel „A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST“ vorgestellt worden, die laut NSF NOIRLab in Nature Astronomy erscheinen sollte. Insgesamt machen die Beobachtungen LID-568 zu einem nützlichen Fall für die Untersuchung des raschen Wachstums supermassereicher Schwarzer Löcher im frühen Universum: Die Rate von mehr als dem 40-Fachen der Eddington-Grenze ist eine Schätzung des Teams, während die mögliche regulierende Rolle der Ströme weiterhin eine Hypothese ist.