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Monster Milliarde Sonnenmasse Schwarzes Loch im frühen Universum gefunden

 

Samen Schwarzes Loch

Ein künstlerischer Eindruck von der Entstehung des Quasars Pōniuā`ena, beginnend mit einem schwarzen Loch, 100 Millionen Jahre nach dem Urknall. Bildnachweis: Internationales Zwillingsobservatorium / NOIRLab / NSF / AURA / P. Marenfeld

Der massereichste Quasar, der im frühen Universum bekannt war, wurde auf Maunakea entdeckt.

Der am weitesten entfernte Quasar, der jemals entdeckt wurde, hat jetzt einen hawaiianischen Namen.

Astronomen haben den zweitfernsten Quasar entdeckt, der jemals in drei Maunakea-Observatorien auf Hawaii gefunden wurde: das WM Keck-Observatorium, das internationale Gemini-Observatorium, ein Programm des NOIRLab von NSF und das Infrarot-Teleskop (UKIRT) der Universität von Hawaii ). Es ist der erste Quasar, der einen einheimischen hawaiianischen Namen erhält, Pōniuāʻena, was in der hawaiianischen Sprache „unsichtbare Quelle der Schöpfung, umgeben von Brillanz“ bedeutet.

Pōniuāʻena ist nur der zweite Quasar, der bisher in einer Entfernung entdeckt wurde, die mit einer kosmologischen Rotverschiebung von mehr als 7,5 berechnet wurde, und es beherbergt ein Schwarzes Loch, das doppelt so groß ist wie der andere Quasar, der in derselben Zeit bekannt war. Die Existenz dieser massiven Schwarzen Löcher in solch frühen Zeiten stellt aktuelle Theorien in Frage, wie sich supermassereiche Schwarze Löcher im jungen Universum gebildet haben und gewachsen sind.

Die Forschung wurde in The Astrophysical Journal Letters akzeptiert .

Milliarden Sonnenmasse Schwarzes Loch

Ein künstlerischer Eindruck von der Entstehung des Quasars Pōniuā`ena, der 700 Millionen Jahre nach dem Urknall zu einem Milliarden Schwarzen Loch mit Sonnenmasse heranwächst. Bildnachweis: Internationales Zwillingsobservatorium / NOIRLab / NSF / AURA / P. Marenfeld

Quasare sind die energiereichsten Objekte im Universum, die von ihren supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden. Seit ihrer Entdeckung wollten Astronomen unbedingt feststellen, wann sie zum ersten Mal in unserer kosmischen Geschichte auftauchten. Durch die systematische Suche nach diesen seltenen Objekten in großflächigen Himmelsuntersuchungen entdeckten Astronomen 2018 den am weitesten entfernten Quasar (J1342 + 0928) und jetzt den zweitfernsten Pōniuāʻena (oder J1007 + 2115 bei Rotverschiebung 7.515). Das von Pōniuāʻena aus gesehene Licht wanderte über 13 Milliarden Jahre durch den Weltraum, seit es den Quasar nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall verlassen hatte .

Spektroskopische Beobachtungen vom Keck Observatory und Gemini Observatory zeigen, dass das supermassereiche Schwarze Loch, das Pōniuāʻena antreibt, 1,5 Milliarden Mal so massereich ist wie unsere Sonne

“Pōniuāʻena ist das am weitesten entfernte Objekt im Universum, das ein Schwarzes Loch mit mehr als einer Milliarde Sonnenmassen beherbergt”, sagte Jinyi Yang, Postdoktorand am Steward Observatory der University of Arizona und Hauptautor der Studie.

Damit sich ein Schwarzes Loch dieser Größe so früh im Universum bildet, müsste es etwa 100 Millionen Jahre nach dem Urknall als Schwarzes Loch mit 10.000 Sonnenmassen „Samen“ beginnen, anstatt aus einem viel kleineren Schwarzen Loch zu wachsen, das durch gebildet wird der Zusammenbruch eines einzelnen Sterns.

“Wie kann das Universum so früh in seiner Geschichte ein so massives Schwarzes Loch produzieren?” sagte Xiaohui Fan, Regents Professor und stellvertretender Abteilungsleiter der Abteilung für Astronomie an der Universität von Arizona. “Diese Entdeckung stellt die bisher größte Herausforderung für die Theorie der Bildung und des Wachstums von Schwarzen Löchern im frühen Universum dar.”

Die gegenwärtige Theorie besagt, dass die Geburt von Sternen und Galaxien, wie wir sie kennen, während der Epoche der Reionisierung begann, die etwa 400 Millionen Jahre nach dem Urknall begann. Es wird angenommen, dass das Wachstum der ersten riesigen Schwarzen Löcher in derselben Ära in der Geschichte des Universums stattgefunden hat.

Die Entdeckung von Quasaren wie Pōniuāʻena tief in der Reionisierungsepoche ist ein großer Schritt zum Verständnis dieses Reionisierungsprozesses und der Bildung früher supermassiver Schwarzer Löcher und massereicher Galaxien. Pōniuāʻena hat der Entwicklung der Materie zwischen Galaxien (intergalaktisches Medium) in der Epoche der Reionisierung neue und wichtige Einschränkungen auferlegt.

„Pōniuāʻena wirkt wie ein kosmischer Leuchtturm. Während sein Licht die lange Reise zur Erde zurücklegt, wird sein Spektrum durch diffuses Gas im intergalaktischen Medium verändert, wodurch wir genau bestimmen konnten, wann die Epoche der Reionisierung stattfand “, sagte Co-Autor Joseph Hennawi, Professor am Institut für Physik am Universität von Kalifornien, Santa Barbara.

Methodik

Yangs Team entdeckte Pōniuāʻena erstmals als möglichen Quasar, nachdem es großflächige Vermessungen wie die UKIRT Hemisphere Survey und Daten des Pan-STARRS1-Teleskops des Instituts für Astronomie der Universität von Hawaii auf der Insel Maui durchkämmt hatte.

Im Jahr 2019 beobachteten die Forscher das Objekt mit dem GNIRS-Instrument des Gemini Observatory sowie dem Nahinfrarot-Echellette-Spektrographen (NIRES) des Keck Observatory, um die Existenz von Pōniuāʻena zu bestätigen.

„Die vorläufigen Daten von Gemini deuteten darauf hin, dass dies wahrscheinlich eine wichtige Entdeckung ist. Nur wenige Wochen später hatte unser Team eine Beobachtungszeit in Keck geplant, die genau auf die Beobachtung des neuen Quasars mit Kecks NIRES-Spektrographen abgestimmt war, um seine extrem hohe Rotverschiebung zu bestätigen und die Masse seines Schwarzen Lochs zu messen “, sagte Co-Autor Aaron Barth. Professor am Institut für Physik und Astronomie der University of California, Irvine.

Zu Ehren seiner Entdeckung auf Maunakea nannten 30 hawaiianische Immersionsschullehrer den Quasar Pōniuāʻena im Rahmen des Imiloa Astronomy Center von Hawaiis A Hua He Inoa-Programm unter der Leitung des renommierten hawaiianischen Sprachexperten Dr. Larry Kimura.

“Wir erkennen, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, das Universum zu kennen”, sagte John O’Meara, Chefwissenschaftler am Keck Observatory. “Pōniuāʻena ist ein wunderbares Beispiel für die Vernetzung von Wissenschaft und Kultur, mit der gemeinsamen Wertschätzung, wie sich verschiedene Wissenssysteme gegenseitig bereichern.”

“Ich bin sehr dankbar, Teil dieser pädagogischen Erfahrung zu sein – es ist eine seltene Lernmöglichkeit”, sagte Kauʻi Kaina, ein hawaiianischer Immersionslehrer der High School aus Kahuku, Oʻahu, der an dem Namensworkshop beteiligt war. “Heute ist es wichtig, diese kulturellen Werte anzuwenden, um das Wohlergehen der hawaiianischen Sprache über gewöhnliche Kontexte wie in der Schule hinaus zu fördern, aber auch um sicherzustellen, dass die Sprache im gesamten Universum lebt.”

Referenz: „Pōniuā’ena: Ein leuchtender z = 7,5 Quasar mit einem 1,5 Milliarden Sonnenmassen-Schwarzen Loch“ von Jinyi Yang, Feige Wang, Xiaohui-Fan, Joseph F. Hennawi, Friedrich B. Davies, Minghao Yue, Eduardo Banados, Xue- Bing Wu, Bram Venemans, Aaron J. Barth, Fuyan Bian, Konstantina Boutsia, Roberto Decarli, Emanuele Paolo Farina, Richard Green, Linhua Jiang, Jiang-Tao Li, Chiara Mazzucchelli und Fabian Walter

Über NIRES

Der Nahinfrarot-Echellette-Spektrograph (NIRES) ist ein prismakreuzdisperser Nahinfrarot-Spektrograph, der am California Institute of Technology von einem Team unter der Leitung des Chief Instrument Scientist Keith Matthews und Prof. Tom Soifer gebaut wurde. NIRES wurde 2018 in Betrieb genommen und deckt einen großen Wellenlängenbereich bei mäßiger spektraler Auflösung für die Verwendung mit dem Keck II-Teleskop ab. Es beobachtet extrem schwache rote Objekte, die mit den Infrarot-Weltraumteleskopen Spitzer und WISE gefunden wurden, sowie Braune Zwerge, Galaxien mit hoher Rotverschiebung und Quasare . Die Unterstützung für diese Technologie wurde großzügig vom Mt. Kuba Astronomische Stiftung.

Über das WM Keck Observatorium

Die Teleskope des WM Keck Observatory gehören zu den wissenschaftlich produktivsten der Welt. Die beiden 10-Meter-Optik- / Infrarot-Teleskope auf dem Gipfel von Maunakea auf der Insel Hawaii verfügen über eine Reihe fortschrittlicher Instrumente, darunter Imager, Mehrobjektspektrographen, hochauflösende Spektrographen, Integralfeldspektrometer und weltweit führende Laser Leitstern adaptive Optiksysteme.

Einige der hier präsentierten Daten wurden am Keck Observatory erhalten, einer privaten gemeinnützigen 501 (c) 3-Organisation, die als wissenschaftliche Partnerschaft zwischen dem California Institute of Technology, der University of California und der National Aeronautics and Space Administration betrieben wird. Das Observatorium wurde durch die großzügige finanzielle Unterstützung der WM Keck Foundation ermöglicht.

Die Autoren möchten die sehr bedeutende kulturelle Rolle und Ehrfurcht anerkennen und anerkennen, die der Gipfel von Maunakea in der einheimischen hawaiianischen Gemeinschaft immer hatte. Wir haben das größte Glück, Beobachtungen von diesem Berg aus durchführen zu können.