James Webb entdeckt einen „Schwarzloch-Stern“ von der Größe des Sonnensystems

Astronomen haben einen womöglich völlig neuen Typ astrophysikalischer Objekte entdeckt: einen „Schwarzloch-Stern“, der ein massereiches Schwarzes Loch mit einer gewaltigen, sternähnlichen Gashülle kombiniert. Das MoM-BH*-1 genannte Objekt wurde vom James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) der NASA im sehr frühen Universum entdeckt, nur wenige Hundert Millionen Jahre nach dem Urknall.

Das Objekt erscheint als extrem heller roter Punkt, der ungefähr die Größe unseres Sonnensystems hat. Seine Energieabgabe ist Schätzungen zufolge jedoch 100 Milliarden Mal höher als die eines gewöhnlichen Sterns, weshalb konventionelle Kernfusion als Energiequelle ausgeschlossen ist. Stattdessen gehen die Forscher davon aus, dass das Objekt von einem zentralen Schwarzen Loch angetrieben wird, das von einer gewaltigen, dichten Wolke aus Wasserstoffgas umgeben ist.

„Wir gehen davon aus, dass sich im Zentrum ein Schwarzes Loch befindet, das 100.000-mal so massereich ist wie die Sonne“, sagte Hauptautor Rohan Naidu, NASA Hubble Fellow und Pappalardo Fellow am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT. Das Schwarze Loch wäre demnach von einer ausgedehnten Gashülle umgeben, die ungefähr so groß wie das Sonnensystem ist und dem Objekt sein sternähnliches Erscheinungsbild verleiht.

Die Entdeckung erfolgte im Rahmen der Untersuchung „Mirage or Miracle“ (MoM), bei der JWST-Beobachtungen nach einigen der frühesten Galaxien im Universum durchsucht wurden. Den Forschern fiel dabei auf, dass eine besonders helle Quelle aufgrund ihrer intensiven roten Farbe ungewöhnlich wirkte.

Bei roten Objekten auf Aufnahmen des tiefen Weltraums wird häufig davon ausgegangen, dass sie von Staub umgeben sind, der die wahrgenommene Farbe ihres Lichts verändern kann. MoM-BH*-1 wies jedoch eine Reihe weiterer ungewöhnlicher Merkmale auf. Sein Licht zeigte einen außergewöhnlich ausgeprägten Balmer-Sprung – ein spektrales Merkmal, das damit zusammenhängt, dass dichtes Gas in Sternatmosphären Photonen absorbiert. Außerdem waren bei dem Objekt fast keine Hinweise auf Elemente zu erkennen, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind.

Anschließend führten die Forscher Simulationen verschiedener möglicher Konfigurationen durch, um herauszufinden, wodurch das charakteristische Spektrum und die Helligkeit des Objekts entstehen könnten. Sie stellten fest, dass eine extrem dichte Wasserstoffhülle zwar die ungewöhnlichen spektralen Merkmale erklären könnte, nicht aber die außergewöhnlich hohe abgegebene Energiemenge.

Ein Schwarzes Loch erwies sich als das fehlende Puzzleteil. Indem die Forscher ihren Modellen ein aktiv Materie aufnehmendes Schwarzes Loch hinzufügten und dessen Masse sowie weitere Parameter variierten, fanden sie eine Konfiguration, die gut mit den Beobachtungen des JWST übereinstimmte. Ihren Simulationen zufolge enthält MoM-BH*-1 ein Schwarzes Loch, das ungefähr 100.000-mal so massereich wie die Sonne ist und von einer dichten Wasserstoffhülle von etwa der Größe des Sonnensystems umgeben wird.

Das vermutete Objekt unterscheidet sich grundlegend sowohl von einem gewöhnlichen Stern als auch von einem konventionellen Schwarzen Loch. Bei einem normalen Stern liefert die Kernfusion die Energie, während das umgebende Gas den Sternkörper bildet. Bei einem Schwarzloch-Stern dient dagegen das Materie aufnehmende Schwarze Loch als Energiequelle, während das umgebende dichte Gas eine sternähnliche äußere Hülle bildet. Die begleitende Illustration im Material des MIT stellt die drei Strukturen gegenüber und zeigt, dass sich die Hülle des Schwarzloch-Sterns ungefähr über die Größe des Sonnensystems erstreckt.

Die Entdeckung könnte außerdem dazu beitragen, eines der größten durch das JWST aufgeworfenen Rätsel zu erklären: die zahlreichen „kleinen roten Punkte“, die bei Beobachtungen des frühen Universums auftauchen. Diese Objekte sind auf JWST-Aufnahmen äußerst häufig zu sehen, scheinen im heutigen Universum jedoch größtenteils verschwunden zu sein.

Die Forscher vermuten, dass es sich bei vielen dieser kleinen roten Punkte tatsächlich um Schwarzloch-Sterne handeln könnte, die sich in frühen Galaxien befinden. MoM-BH*-1 scheint deshalb ungewöhnlich zu sein, weil es so hell ist, dass es seine Wirtsgalaxie praktisch überstrahlt. Dadurch können Astronomen beobachten, was das Team als nahezu reines Licht eines Schwarzloch-Sterns bezeichnet.

Die Studie mit dem Titel „A Gas Enshrouded and Gas Reddened Black Hole at Cosmic Dawn“ wurde in Nature veröffentlicht. Sollte die Interpretation durch weitere Beobachtungen bestätigt werden, könnten Schwarzloch-Sterne eine neue Erklärung dafür liefern, wie massereiche Schwarze Löcher im frühen Universum entstanden und sich weiterentwickelten.