In einem Jahr fand Euclid mehr alte Quasare als die Wissenschaft in einem Jahrzehnt

In den letzten zehn Jahren erforderte die Bestätigung eines einzigen Quasars, der von einem Schwarzen Loch mit einer Milliarde Sonnenmassen angetrieben wurde, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war, eine koordinierte Anstrengung über mehrere Teleskope und Monate der Nachbeobachtungsspektroskopie. Das gesamte kumulative Ergebnis dieser Bemühungen lag bei etwa zehn bestätigten Objekten. In seinem ersten Jahr wissenschaftlicher Operationen bestätigte Euclid zwölf.

Diese Zahl ist das zentrale Ergebnis einer Arbeit des Doktoranden Daming Yang von der Universität Leiden und Kollegen, veröffentlicht in Astronomy & Astrophysics als Teil einer 41 Arbeiten umfassenden Sonderausgabe, die auf Euclids erstem Viertel des Himmelsdatensatzes basiert. Der vollständige Katalog enthält 31 zuvor unbekannte Quasare aus der frühesten Epoche des Universums – uralte Lichtquellen, jede mit der Leuchtkraft von etwa einer Billion Sonnen, angetrieben von supermassiven Schwarzen Löchern, die bereits existierten, als der Kosmos nur einen Bruchteil seines heutigen Alters hatte.

Die beiden entferntesten Objekte im Katalog, bezeichnet als EUCL J172902.75+641018.1 und EUCL J125308.55+705432.3, haben Rotverschiebungen von 7,77 und 7,69 und gehören damit zu den entferntesten Objekten, die in einer Durchmusterung individuell aufgelöst wurden. Ihr Licht verließ das Universum, als es etwa 670 Millionen Jahre alt war.

Wie Euclid Objekte identifiziert, die wie gewöhnliche Sterne aussehen

Die Entdeckung uralter Quasare ist ein Problem der Nadel im Heuhaufen. Bei extremen Entfernungen wurde die ultraviolette Emission eines Quasars durch die Expansion des Universums in das nahe Infrarot gestreckt, eine Verschiebung, die seine charakteristischen Spektrallinien bei Wellenlängen platziert, die die meisten bodengestützten Instrumente nur schwer effizient erreichen können. Praktisch gesehen macht das resultierende schwache, rötliche Erscheinungsbild diese Objekte in Standardaufnahmen im sichtbaren Licht nahezu ununterscheidbar von viel näheren, weit zahlreicheren M-Zwergsternen. Die meisten Entdeckungen vor Euclid beruhten darauf, Objekte über mehrere Durchmusterungen unterschiedlicher Tiefe und Filterabdeckung hinweg abzugleichen und dann Kandidaten für teure Beobachtungszeit an großen Teleskopen zu priorisieren.

Euclid löst beide Probleme gleichzeitig. Sein Nahinfrarot-Spektrometer und Photometer (NISP) deckt Wellenlängen von 0,95 bis 2,0 Mikrometern ab, genau dort, wo die rotverschobene Lyman-Alpha-Emission von Quasaren mit z≥7 fällt, während es gleichzeitig Breitband-Photometrie erfasst, die eine erste Kandidatenauswahl ermöglicht. Die Fläche der Durchmusterung, die schließlich ein Drittel des Himmels in Tiefen abdecken soll, die vom Boden aus unerreichbar sind, erzeugt ein statistisches Volumen, das groß genug ist, um brauchbare Proben der seltensten Objekte zu enthalten. „Ihr ursprüngliches Licht ist sowohl schwach als auch leicht mit dem von Sternen zu verwechseln, die näher an uns liegen“, sagte Antonio La Marca, ESA-Forschungswissenschaftler im Euclid-Team.

Yangs Team wandte einen photometrischen Auswahlalgorithmus auf die Q1-Daten an, identifizierte Kandidaten, die mit Quasaren bei z≥7 konsistent waren, und bestätigte die Entdeckungen mit dem spektroskopischen Modus von NISP, ohne eine separate bodengestützte Kampagne zu benötigen. Der Effizienzgewinn gegenüber früheren Durchmusterungsmethoden ist der Unterschied zwischen einem Jahrzehnt kumulativer Ergebnisse und zwölf bestätigten Objekten in einem Jahr.

Was die Rotverschiebungsschwelle von 7 tatsächlich bedeutet

Die Rotverschiebung quantifiziert, wie stark sich das Universum seit der Emission eines bestimmten Photons ausgedehnt hat. Eine Rotverschiebung von z=7 entspricht einem Universum, das etwa ein Achtel seiner heutigen linearen Größe hatte, was einer Rückblickzeit von etwa 13 Milliarden Jahren und einem kosmischen Alter von 670 Millionen Jahren nach dem Urknall entspricht. In diesem Moment vollendete das Universum die Reionisation, den Übergang, bei dem die ultraviolette Strahlung der ersten leuchtenden Quellen den Wasserstoff ionisierte, der den frühen Kosmos undurchsichtig gehalten hatte.

Quasare mit z≥7 gehörten zu den Haupttreibern der Reionisation, aber sie sind auch ihr Paradoxon: Sie erfordern supermassive Schwarze Löcher, die schnell genug wuchsen, um Milliarden von Sonnenmassen zu einem Zeitpunkt in der kosmischen Geschichte zu erreichen, als es nach Standardmodellen der Strukturentwicklung kaum Zeit gegeben hatte, die ersten Sterne zu bilden. Das zentrale Schwarze Loch der Milchstraße, Sagittarius A*, hat etwa vier Millionen Sonnenmassen und hat diese Masse über das gesamte 13,8 Milliarden Jahre alte Alter des Universums angesammelt. Die Schwarzen Löcher, die die Quasare mit z≥7 im Euclid-Katalog antreiben, wiegen hunderte bis tausende Male mehr, haben diese Masse jedoch in weniger als 5 % desselben Zeitrahmens angesammelt.

„Diese Monster – die milliardenfache Masse unserer Sonne – existierten irgendwie bereits, als das Universum noch in den Kinderschuhen steckte“, sagte Joseph Hennawi, Yangs Betreuer an der UC Santa Barbara und Koautor der Arbeit. Mehr als ein Dutzend davon in einem einzigen Jahr Daten zu finden, zeigt, dass es sich nicht um statistische Ausreißer handelt: Die Stichprobe ist nun groß genug, um sie als Population zu behandeln.

Was der Katalog nicht klärt

Zusätzliche bestätigte Entdeckungen stärken einen quantitativen Fall, ohne jedoch zwischen vorgeschlagenen Entstehungsmechanismen zu unterscheiden. Zu den führenden Kandidaten gehören anhaltende super-Eddington-Akkretion, bei der Gas schneller in ein Saat-Schwarzes Loch fällt als die kanonische Strahlungsdruckgrenze, und zwar über Zeiträume, die lang genug sind, um die beobachteten Massen aufzubauen; der direkte Kollaps massiver primordialer Gaswolken zu Saat-Schwarzen Löchern, die weit schwerer sind als jeder stellare Überrest; und die schnelle Verschmelzung dichter früher Sternhaufen, bevor die erste Generation supermassiver Schwarzer Löcher aktiviert wurde. Jeder Mechanismus steht vor unabhängigen Beobachtungsbeschränkungen, und die Euclid-Daten enthalten noch nicht die Charakterisierungen der Wirtsgalaxien, die für direkte Tests erforderlich sind.

Yangs Arbeit stellt fest, dass der 31-Objekt-Katalog eine helle Teilmenge einer größeren zugrunde liegenden Population darstellt – jene, die hell genug sind und die richtige Kombination aus Rotverschiebung und Himmelsposition aufweisen, um in den Q1-Daten klar hervorzutreten. Vollständigkeitsmodelle werden die vollständige Euclid-Weitfeld-Durchmusterung erfordern, die weiterhin beobachtet. Ein praktischer Vorbehalt gilt für alle 31 Objekte: Die Charakterisierung der Wirtsgalaxien, die für Tests der Entstehungsmodelle unerlässlich ist, erfordert tiefere Beobachtungen, als die Durchmusterung selbst liefert. Silvia Belladitta vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg führte Nachbeobachtungsspektroskopie für das zweitentfernteste Objekt im Katalog durch; geplante bodengestützte Kampagnen werden die gesamte Stichprobe abdecken.

Häufige Fragen zu Euclids uralten Quasaren

Was genau ist ein Quasar und warum ist seine Helligkeit wichtig?

Ein Quasar ist der extrem helle Kern einer Galaxie, angetrieben von einem supermassiven Schwarzen Loch, das aktiv umgebendes Gas akkretiert. Wenn sich das Material in der Akkretionsscheibe aufheizt, strahlt es über das gesamte elektromagnetische Spektrum mit einer Helligkeit, die jeden Stern in der Wirtsgalaxie zusammen überstrahlen kann. Bei den hier berichteten Entfernungen ist nur der zentrale Motor nachweisbar; die Wirtsgalaxie ist zu schwach und zu kompakt, um aufgelöst zu werden. Die extreme Leuchtkraft ermöglicht es Euclid, Objekte aus 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung zu entdecken.

Warum werden diese Objekte als Problem für die Kosmologie beschrieben?

Standardmodelle des Schwarzen-Loch-Wachstums setzen eine natürliche Obergrenze für Akkretionsraten, bekannt als Eddington-Grenze. Ein stellarer Saatkern, das größte Schwarze Loch, das ein Stern hinterlassen kann, der kontinuierlich mit dieser Rate akkretiert, kann in der Zeit zwischen dem Urknall und der Epoche, in der diese Quasare existieren, keine Milliarde Sonnenmassen erreichen. Mehr als ein Dutzend in einem einzigen Durchmusterungsjahr zu finden, bedeutet, dass sie häufig genug sind, dass kein exotisches Einzelereignis sie erklären kann; der Entstehungsmechanismus muss im großen Maßstab funktionieren.

Wie schneidet Euclid im Vergleich zu früheren Durchmusterungen für diese Art von Objekten ab?

Die Euclid-Weitfeld-Durchmusterung wird schließlich etwa 14.000 Quadratgrad bei nahinfraroten Empfindlichkeiten abdecken, die bodengestützte Durchmusterungen über vergleichbare Flächen nicht erreichen können. Die vorherige Generation von Durchmusterungen, darunter der Sloan Digital Sky Survey und der UKIRT Infrared Deep Sky Survey, identifizierte den größten Teil des bisherigen Katalogs von Quasaren mit z≥7 über mehr als ein Jahrzehnt kombinierter Beobachtungen. Euclids NISP-Instrument führt gleichzeitig die erste Auswahl und spektroskopische Prüfung durch und komprimiert, was zuvor separate Kampagnen erforderte, in einen einzigen Beobachtungsdurchgang.

Was passiert als Nächstes in diesem Forschungsprogramm?

Bodengestützte Nachbeobachtungsspektroskopie ist für die gesamte 31-Objekt-Stichprobe geplant, um die Rotverschiebungsmessungen zu verfeinern und die Wirtsgalaxien zu charakterisieren. Zusätzliche Euclid-Datenveröffentlichungen werden den Katalog erweitern, wenn die Weitfeld-Durchmusterung Himmelsfläche ansammelt. Die Q2-Datenveröffentlichung von Euclid, die die galaktische Ausbuchtung der Milchstraße mit 60 Millionen Sternen in 26 Stunden Beobachtung abdeckte, wurde Ende Juni veröffentlicht; nachfolgende Veröffentlichungen werden mehr extragalaktische Himmelsfläche hinzufügen, die für die Suche nach hochentfernten Quasaren relevant ist. „Indem wir sie finden und untersuchen“, schrieb Yang, „können wir besser verstehen, wie diese enormen Systeme so schnell entstanden und wuchsen.“

Referenz: Yang et al., „Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known“, Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Schlagwörter: Astronomie, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars