Quelle: Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) 31. Januar 2023.

31. Januar 2023 – Bei der Analyse von Daten aus dem eROSITA „Final Equatorial-Depth Survey“ haben Forschende am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik (MPE) eine schwache Röntgenquelle gefunden, die sie als sehr weit entfernten Quasar identifizieren konnten. Dies ist die bisher am weitesten entfernte zufällige Röntgendetektion. Das supermassereiche Schwarze Loch akkretiert mit einer extrem hohen Rate Materie; damit ist der Quasar für seine enorme Entfernung – mit einer Rotverschiebung von z = 6,56 – sehr viel heller als erwartet. Sein vor fast 13 Milliarden Jahren abgestrahltes Licht ermöglicht es den Astronominnen und Astronomen, das Wachstum von Schwarzen Löchern im frühen Universum zu untersuchen.

Supermassereiche Schwarze Löcher in Zentren von Galaxien lassen sich auch auf große Entfernungen nachweisen – aber nur, wenn sie Materie ansammeln, die sich erhitzt und hell leuchtet. Dadurch bekommt das Galaxienzentrum einen „aktiven galaktischen Kern“ (AGN). Diese so genannten „Quasare“, oder quasi-stellaren Objekte, überstrahlen dann den Rest ihrer Galaxie. Sie leuchten im Röntgenbereich heller als alle anderen Objekte im Universum, sind aber bei großen Entfernungen dennoch schwer zu entdecken und extrem selten. Bisher wurden bei Rotverschiebungen von z > 5,7 – als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war – erst etwa 50 Quasare mit Röntgenteleskopen entdeckt.

Bei der Analyse von Röntgendaten des eROSITA „Final Equatorial-Depth Survey“ (eFEDS), die während der Leistungsüberprüfungsphase des eROSITA-Teleskops im Jahr 2019 aufgenommen wurden, fand das eROSITA-Team eine neue Punktquelle. In einer Zusammenarbeit mit Kollegen vom Subaru-Teleskop identifizierten sie das Röntgenlicht als den bereits bekannten Quasar J0921+0007. Dieser war ursprünglich mit einer Rotverschiebung von 6,56 von einer Forschungsgruppe entdeckt worden, die mit Subaru nach entfernten Quellen suchte. Gezielte Folgebeobachtungen bei Infrarotwellenlängen zeigten nun, dass das Schwarze Loch eine Masse von 250 Millionen Sonnen hat – relativ wenig für ein supermassereiches Schwarzes Loch in dieser Entfernung. Weitere Folgebeobachtungen mit dem Röntgensatelliten Chandra bestätigten die von eROSITA gemessene hohe Leuchtkraft, die auf eine sehr hohe Akkretionsrate hinweist.

„Wir haben nicht erwartet, einen aktiven Galaxienkern mit so geringer Masse bereits in unserer ersten Mini-Durchmusterung mit eROSITA zu finden“, sagt Julien Wolf, der im Rahmen seiner Doktorarbeit am MPE in den eROSITA-Daten nach weit entfernten supermassereichen Schwarzen Löchern sucht. „Es ist der bisher am weitesten entfernte zufällige Fund im Röntgenbereich. Zudem sind seine Eigenschaften eher untypisch für Quasare bei so hohen Rotverschiebungen: Er ist im sichtbaren Licht sehr schwach, gleichzeitig aber sehr leuchtstark im Röntgenlicht.“

Der von eROSITA aufgespürte Quasar weist Eigenschaften auf, die einer besonderen Klasse von sogenannten Seyfert-1-Galaxien im lokalen Universum ähneln. Diese besitzen supermassereiche Schwarze Löcher von unter 100 Millionen Sonnenmassen in ihren Zentren und akkretieren Materie mit hoher Geschwindigkeit. Diese Seyfert-1-Galaxien könnten daher jünger als ihre massereicheren Geschwister sein.

„Die Suche nach seltenen Objekten wie diesem erfordert Astronomie bei vielen unterschiedlichen Wellenlängen, die eROSITAs großes Blickfeld im Röntgenbereich ergänzen“, betont Mara Salvato, Sprecherin von eROSITA. „Glücklicherweise ist der größte Teil des Himmels bei optischen und infraroten Wellenlängen bereits kartiert, und gerade die Daten des Subaru-Teleskopes reichen für das eFEDS-Feld besonders tief und damit in die jüngsten Zeiten des Universums zurück.“

Die meisten aktiven Galaxien mit hohen Rotverschiebungen, das heißt in großen Entfernungen, beherbergen Schwarze Löcher von einer bis zehn Milliarden Sonnenmassen. Es sollte jedoch auch viele entfernte AGNs mit weniger massereichen Schwarzen Löchern geben. Damit Teleskope und Satelliten sie überhaupt beobachten können, müssen diese dann allerdings sehr schnell Materie ansammeln, um hell genug zu leuchten.

Zusätzlich zu ihrem Zufallsfund entdeckte das Team noch einen weiteren hellen und ähnlich weit entfernten Quasar im selben Beobachtungsfeld. „eROSITA eignet sich besonders gut dafür, seltene Röntgenobjekte wie diesen leistungsstarken Quasar mit hoher Rotverschiebung, zu finden und zu kartieren“, sagt Kirpal Nandra, Direktor für Hochenergiephysik am MPE. „Dies ist nun das zweite derartige Objekt, das wir in eFEDS gefunden haben, obwohl wir sie in diesem Feld gar nicht erwartet hatten.“

Die ersten eROSITA-Daten sind nur ein Vorgeschmack auf das, was noch kommen wird. Basierend auf diesen ersten Entdeckungen erwarten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass sie mit der eROSITA Himmelsdurchmusterung Hunderte von Quasaren finden könnten. Um diese schwer fassbare Population noch unbekannter entfernter Quasare zu finden, hat das Team ein umfangreiches Programm zur Analyse der eROSITA-Himmelsdurchmusterung entwickelt. Diese führte bereits zur Entdeckung von fünf neuen, im Röntgenlicht leuchtenden Quasaren bei z>5,6, die bald in einer weiteren Veröffentlichung vorgestellt werden. Gleichzeitig meldete ein russisches Forscherteam die ersten eROSITA-Entdeckungen bei hoher Rotverschiebung in der nördlichen Hemisphäre.

Objekte wie diese sind derzeit die beste Möglichkeit, die Entstehung Schwarzer Löcher in frühen Universum zu verstehen. Sollten sich die überraschenden eFEDS-Entdeckungen in einem größeren Datensatz bestätigen, könnte dies eine Herausforderung für einige evolutionäre Modelle darstellen.

Publikation:
X-ray emission from a rapidly accreting narrow-line Seyfert 1 galaxy at z=6.56
J. Wolf, K. Nandra, M. Salvato, et al.
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/01/aa44688-22/aa44688-22.html

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Ein Beitrag von Hans Lammersen. Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie.

Die Entdeckung neuer Exoplaneten erfolgt fast immer über indirekte Verfahren. Nun ist es einem Team von Astronomen um den Japaner Motohide Tamura von der Universität Tokio gelungen, einen Exoplaneten direkt abzubilden. Es ist zwar nicht das erste Foto eines Exoplaneten, aber das erste eines solchen, der einen sonnenähnlichen Stern vom Typ G umkreist.

Die Aufnahmen gelangen mit dem Subaru-Teleskop auf Hawaii. Es handelt sich um Infrarotbilder, bei denen der Stern durch mechanische Verfahren und Verfahren der Bildbearbeitung eliminiert wurde, um den Planeten nicht zu überblenden. Bei dem Objekt handelt es sich um den jupiterartigen Planeten GJ 504 b, der den Stern GJ 504 umkreist. Der Planet bewegt sich in einem Abstand um seinen Stern, der das 44-fache des Abstandes Erde-Sonne beträgt. Er ist also ungefähr so weit von seinem Stern entfernt wie der Planet Neptun von der Sonne.

Es handelt sich nicht nur um das erste Foto eines Planeten bei einem sonnenähnlichen Stern, sondern auch um den leichtesten (die Forscher schätzen seine Masse auf etwa das Dreifache der Masse des Jupiter) sowie den kühlsten bisher abgelichteten Planeten. Das Letztere ist wichtig, da mit dieser Aufnahme ein weiterer Schritt in Richtung direkter Aufnahmen erdähnlicher Planeten gelungen ist. Die Astronomen streben als Ziel außerdem die direkte Abbildung von exoplanetaren Spektren an, die Aussagen über die chemische Zusammensetzung der Atmosphären zulassen.

Zu dem Team von Astronomen gehören auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Astronomie. Die Aufnahmen sind Teil der SEEDS-Durchmusterung (Strategic Exploration of Exoplanets and Disks), bei dem es um die Erforschung von Exoplaneten und protoplanetaren Scheiben geht, in denen sich Entwicklungsprozesse von Planeten abspielen.

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Ein Beitrag von Roger Spinner. Quelle: Universetoday.

Das Team von Astronomen, bestehend aus Yoshiaki Taniguchi und Shunji Sasaki von der Tohoku University, sowie Nicolas Scoville vom California Institute of Technology, machte eine einzigartige Aufnahme zweier Galaxien. Darauf ist eine Galaxie zu sehen, die ihrer kleineren Begleitgalaxie unaufhörlich Sterne entzieht und sie somit über Jahrmillionen regelrecht auffrisst.
Sichtbar wird dieser Prozess durch ein ausgedehntes Band von Sternen zwischen den beiden Galaxien, welches sich über eine Distanz von über 500.000 Lichtjahren erstreckt. Dieses Sternenband ist somit zugleich das längste je von Astronomen entdeckte seiner Art.

Die aktuelle Theorie über die Entstehung von Galaxien besagt, dass große Galaxien, wie zum Beispiel die Milchstraße, nicht zuletzt durch das Absorbieren von kleineren Nachbargalaxien entstanden sind. Anzeichen für diesen Prozess, wie zum Beispiel einzelne Gruppen von Sternen, die sich gemeinsam in eine ungewöhnliche Richtung bewegen, findet man heute auch in der Nachbarschaft unserer eigenen Galaxis. Einige Sterne in der Milchstraße scheinen einst zu einer kleinen Nachbargalaxie, dem so genannten „Sagitarius Dwarf“, gehört zu haben.

Unsere nächste Nachbargalaxie, die Andromeda Galaxie zeigt ebenfalls Anzeichen für eine vergleichbare Entstehungsgeschichte. In beiden Fällen können wir jedoch nur aufgrund des heutigen Zustandes Rückschlüsse auf die einstigen Vorkommnisse ziehen, die zur Entstehung der beiden Galaxien geführt haben.

Direkt sichtbare Hinweise dafür, dass eine große Galaxie ihren kleinen Begleiter „auffrisst“ sind nicht leicht zu finden, da die kleinen Galaxien die absorbiert werden, in der Regel sehr schwach leuchtende Zwerggalaxien sind. Die eigentliche Zerstörung der Zwerggalaxien ist daher sehr schwierig zu beobachten, diese Objekte leuchten von sich aus schon sehr schwach und ihr Licht wird zunehmendes schwächer, je mehr Sterne ihnen von den größeren Galaxien entzogen werden.

Die einzig bisher bekannte direkte Bobachtung eines solchen Ereignisses stammt von einer Aufnahme der Advanced Camera for Surveys des Hubble Space Telescope.

Taniguchi, Sasaki, und Scoville entdeckten die grosse elliptische Galaxie COSMOS J100003+020146 und die kleine Zwerggalaxie COSMOS J095959+020206 während sie die Eigenschaften von Galaxien in einem Teilabschnitt des Sternbilds Sextant studierten. Das Galaxienpaar ist ungefähr eine Milliarde Lichtjahre von uns entfernt, die Distanz zwischen den beiden Galaxien beträgt ungefähr 330.000 Lichtjahre.
Das dünne Band aus Sternen, welches sich von der Zwerggalaxie her ausdehnt, sowohl hin zur Elliptischen Galaxie als auch von ihr weg, zeigt auf, dass die Gravitationskräfte der Elliptischen Galaxie den Zwerg regelrecht auseinander reißen. Sterne die näher an der elliptischen Galaxie liegen, werden dabei stärker zu ihr hingezogen als solche, die sich im Zentrum der Zwerggalaxie befinden. Sterne auf der abgewandten Seit erfahren sogar einer noch schwächere Anziehungskraft. Daher sieht die Zwerggalaxie aus als ob sie von zwei Seiten her gleichzeitig auseinander gerissen würde, und dies, obwohl nur eine Galaxie daran beteiligt ist.

Dasselbe Phänomen kann man übrigens auch auf der Erde beobachten. Dass auf zwei Seiten der Erde zur gleichen Zeit Flut herrschen kann, obwohl der Mond die Ozeane nur von einer Seite her anzieht ist ein anschauliches Beispiel für diesen Effekt.

Der durch die Gezeitenkräfte auseinander gerissene Sternenstreifen im neulich beobachteten Galaxienpaar ist drei Mal schwächer in seiner Oberflächenhelligkeit als das seiner Zeit von Hubble beobachtete Band. Nur dank der hervorragenden Optik des Subaru Teleskops war diese Aufnahme von einem erdgebundenen Teleskop aus überhaupt möglich.

Sollten Astronomen künftig weitere Beispiele solch galaktischen Kannibalismus finden, wird unser Wissen über die Entstehungsgeschichte der Galaxien dadurch zusehends klarer werden.

Auch wenn kein heute lebender Mensch in der Lage sein wird, das Ende dieses ungleichen Tauziehens mit zu erleben, so ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass die elliptische Galaxie ihr einmal begonnenes Werk fortsetzt und eines fernen Tages ihre kleine Begleitgalaxie völlig absorbiert haben wird.

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