Webb entdeckt zwei riesige Schwarze Löcher Seite an Seite, 900 Millionen Jahre nach dem Urknall

Das James Webb Space Telescope hat zwei supermassereiche Schwarze Löcher entdeckt, die Seite an Seite Materie aufnehmen, als das Universum noch keine Milliarde Jahre alt war. Sie bilden das älteste bislang identifizierte kompakte Quasarpaar, und ihr Abstand ist geringer als die Entfernung zwischen unserer Sonne und dem Zentrum der Milchstraße.

Das Paar ist von Bedeutung, weil niemand erwartet hatte, ein solches System so früh beobachten zu können. Die beiden Schwarzen Löcher sind jeweils mehrere hundert Millionen bis Milliarden Mal massereicher als die Sonne, und die Wahrscheinlichkeit, zwei von ihnen zu jener Epoche so dicht beieinander zu finden, ist weit höher, als aktuelle Modelle des jungen Universums vorhersagen.

Das System trägt offiziell die Bezeichnung J1602+4228AB. Sein hawaiianischer Name Nāpōwawāʻenakaulua wurde von Larry Kimura vom Hawaiian language college der University of Hawaiʻi im Rahmen des Benennungsprogramms A Hua He Inoa geschaffen. Er bedeutet: „Zwei Himmelskörper von unergründlich mächtiger Dunkelheit in der Brillanz von Hitze, die Energie in das Universum reinkarniert.“ Die von Silvia Onorato vom NSF NOIRLab geleitete Studie erscheint in The Astrophysical Journal Letters.

Das Licht, das wir sehen, verließ das Paar etwa 900 Millionen Jahre nach dem Urknall. Das größere Schwarze Loch hat eine Masse von rund 1,5 Milliarden Sonnenmassen, das kleinere von etwa 400 Millionen. Sie sind ungefähr 18.100 Lichtjahre voneinander entfernt – etwa ein Fünftel des Durchmessers der Milchstraße.

Ein Quasar ist ein supermassereiches Schwarzes Loch, das so viel Gas verschlingt, dass die Materie in seiner Umgebung jeden Stern seiner Wirtsgalaxie überstrahlt. Beide Mitglieder dieses Paars nehmen Materie an oder leicht über der Eddington-Grenze auf – jener Rate, bei der der nach außen gerichtete Strahlungsdruck des heißen Gases die Gravitation ausgleicht, die das Gas nach innen zieht. Beide Schwarzen Löcher wachsen daher ungefähr so schnell, wie es die Physik normalerweise zulässt.

„Es gibt keine eindeutige theoretische Erklärung dafür, wie auch nur einer dieser riesigen Quasare so früh in der Geschichte unseres Universums existieren kann – geschweige denn zwei“, sagte Onorato in der Mitteilung des NOIRLab.

Wie Webb und Gemini den zweiten Quasar fanden

Das Paar tauchte in der Aether-Durchmusterung auf, einem Webb-Programm unter Leitung von Emanuele Paolo Farina vom NSF NOIRLab und dem International Gemini Observatory. Die Durchmusterung richtet Webbs Near-Infrared Spectrograph auf 200 Quasare aus der ersten Milliarde Jahre, rund 43 Prozent aller aus diesem Zeitraum bekannten Quasare. Anstatt ein einzelnes Spektrum aufzuzeichnen, erfasst das Instrument für jeden kleinen Himmelsausschnitt um jedes Zielobjekt ein eigenes Spektrum.

Bei einer visuellen Prüfung jedes Datenwürfels bemerkte das Team, dass der bekannte Quasar J1602+4228 einen schwachen Begleiter in nahezu exakt derselben Entfernung hatte. Unter den 199 durchsuchten Beobachtungsfeldern ist dies der einzige Begleitquasar mit breiten Emissionslinien, dem Kennzeichen von sich schnell bewegendem Gas in der Nähe eines Schwarzen Lochs. Webb beobachtete dieses Feld rund 45 Minuten lang.

Der Begleiter ist etwa 19-mal lichtschwächer als der Hauptquasar, und die beiden sind am Himmel nur knapp weniger als eine Bogensekunde voneinander entfernt – ungefähr die Breite einer Münze aus vier Kilometern Entfernung. Um ihn als eigenständiges Objekt zu bestätigen, griff das Team auf den Gemini Near-Infrared Spectrograph am Gemini-North-Teleskop auf dem Maunakea in Hawaiʻi zurück und positionierte den Spalt so, dass er beide Quasare zugleich erfasste. Der schwache Quasar wurde mehr als drei Stunden lang belichtet. „Der Himmel über dem Maunakea war so klar und scharf, dass wir die Daten in nur zwei Nächten sammeln konnten“, sagte Onorato. Ein drittes Instrument, der Gemini Multi-Object Spectrograph, lieferte optisches Licht des schwachen Begleiters.

Die Rotverschiebungen der beiden Quasare, ein Maß dafür, wie stark die Expansion des Universums ihr Licht gedehnt hat, unterscheiden sich um lediglich rund 15 Kilometer pro Sekunde. Das platziert sie in praktisch derselben Entfernung von der Erde.

Wie nah ist nah bei so alten Schwarzen Löchern?

Dies ist erst das dritte Quasarpaar, das aus der kosmischen Morgendämmerung, der Ära der ersten Galaxien, gefunden wurde, und zugleich das engste. Das zuvor kompakteste frühe Paar, J2037-4537, weist einen Abstand von etwa 24.000 Lichtjahren auf und wurde in der kosmischen Geschichte rund 100 Millionen Jahre später beobachtet. Ein weiterer Kandidat aus einer ähnlichen Epoche, J1215-0148, erstreckt sich über etwa 39.000 Lichtjahre, und Astronomen debattieren weiterhin darüber, ob es sich um ein echtes Paar handelt.

Zum Vergleich: Die Sonne ist etwa 26.000 Lichtjahre von Sagittarius A*, dem Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie, entfernt. Sagittarius A* besitzt ungefähr vier Millionen Sonnenmassen. Das größere Schwarze Loch dieses Paars ist rund 380-mal massereicher und erreichte diese Masse, als das Universum etwa 6,5 Prozent seines heutigen Alters hatte.

Das Team untersuchte auch, wie häufig ein solches Paar eigentlich auftreten sollte. Messungen dazu, wie Quasare auf großen Skalen gruppiert sind, die bis auf die Skala dieses Paars heruntergerechnet wurden, sagen weit weniger solche Nachbarn als einen in 199 Feldern voraus. Das beobachtete Paar liegt um das 100- bis 1.000-Fache über diesen Extrapolationen, selbst wenn das Team eine niedrigere Helligkeitsschwelle ansetzte.

Was das Paar noch nicht klärt

Die erste offene Frage lautet, ob es sich tatsächlich um zwei Quasare handelt. Eine Galaxie zwischen uns und einem einzelnen fernen Quasar kann dessen Licht ablenken und zwei Bilder desselben Objekts erzeugen – ein Effekt, der Gravitationslinseneffekt genannt wird. Die Spektren sprechen dagegen. Die beiden Quasare unterscheiden sich in der Steigung ihres Lichtspektrums und darin, wie stark Staub sie abschwächt; auch die Formen der schnell bewegten Gasausströmungen, die in ihren Sauerstoff-Emissionslinien sichtbar sind, sind verschieden, und der Gravitationslinseneffekt kann diese Formen nicht verändern. Das Team bevorzugt daher vorläufig die Deutung als echtes Paar. Archivaufnahmen von Hubble zeigen jedoch eine mögliche Vordergrundgalaxie nahe dem lichtschwächeren Quasar. Die Autoren schreiben, dass Spektren allein den Gravitationslinseneffekt nicht ausschließen können; ein vollständiges Linsenmodell befindet sich noch in Vorbereitung.

Die zweite Einschränkung betrifft die Massen selbst. Gewichte Schwarzer Löcher, die aus einem einzelnen Spektrum abgeleitet werden, weisen eine systematische Unsicherheit von ungefähr einem Faktor zwei auf. Die Angaben von 1,5 Milliarden und 400 Millionen sind daher Schätzungen und keine präzisen Messungen.

Die dritte Einschränkung betrifft den Überschuss. Die Vorhersagen zur Gruppierung wurden auf deutlich größeren Skalen gemessen und müssen weit unterhalb ihres geprüften Bereichs extrapoliert werden, wo die Theorie nach Aussage der Autoren äußerst unsicher ist. Ein einzelnes Paar kann nicht zeigen, ob solche Systeme häufig sind oder ob dieses hier ein seltener Zufall ist.

Für sich genommen brechen die Schwarzen Löcher keine Regel: Ihre Massen und Akkretionsraten entsprechen denen einzelner Quasare aus derselben Epoche. Ungeklärt bleibt, wie irgendein Schwarzes Loch so schnell auf eine Milliarde Sonnenmassen anwachsen konnte – und warum zwei von ihnen dies so dicht beieinander taten.

Warum eine Verschmelzung das Paar erklären könnte

Das Team schlägt vor, dass Nāpōwawāʻenakaulua einen extremen Dichtegipfel der Materie im frühen Universum markiert, einen Ort, an dem kollidierende Galaxien große Mengen Gas in Richtung ihrer Zentren trieben. Dieses Gas würde gleichzeitig die Sternentstehung und beide Schwarzen Löcher speisen, was erklären würde, warum zwei Quasare zugleich aktiv wurden.

Wenn die beiden Wirtsgalaxien miteinander verschmelzen, sollten die Schwarzen Löcher schließlich zum Zentrum der vereinigten Galaxie sinken, ein gebundenes Paar bilden und in ferner Zukunft verschmelzen. Paare wie dieses stellen das frühe Stadium jenes Prozesses dar, der nach gängiger Auffassung den von der NANOGrav collaboration gemeldeten schwachen Hintergrund an Gravitationswellen erzeugt.

Fragen von Leserinnen und Lesern zum Quasarpaar

Was ist ein Quasarpaar?

Ein Quasarpaar besteht aus zwei aktiv Materie aufnehmenden supermassereichen Schwarzen Löchern, die im Raum nahe beieinander liegen, meist weil ihre Wirtsgalaxien miteinander wechselwirken oder verschmelzen. In den ersten Milliarden Jahren nach dem Urknall wurden nur sehr wenige gefunden.

Wie weit entfernt ist Nāpōwawāʻenakaulua?

Sein Licht verließ das Paar etwa 900 Millionen Jahre nach dem Urknall, was einer Rotverschiebung von ungefähr 6,08 entspricht. Das Licht war fast 13 Milliarden Jahre unterwegs, um Webb zu erreichen.

Wie wiegen Astronomen ein so weit entferntes Schwarzes Loch?

Sie messen die Breite von Wasserstoff-Emissionslinien des Gases, das das Schwarze Loch umkreist. Schnellere Umlaufbahnen bedeuten breitere Linien, und in Kombination mit der Helligkeit des Quasars liefert deren Breite eine Massenschätzung. Diese Schätzungen aus einzelnen Spektren sind um ungefähr einen Faktor zwei unsicher.

Könnte der zweite Quasar eine durch Gravitationslinsen verursachte Illusion sein?

Das ist möglich, gilt jedoch als weniger wahrscheinlich. Die beiden Spektren unterscheiden sich in einer Weise, die der Gravitationslinseneffekt nicht hervorrufen sollte, insbesondere bei den Formen ihrer Gasausströmungen; allerdings wurde auf Hubble-Aufnahmen eine mögliche Vordergrundgalaxie gesichtet. Ein detailliertes Linsenmodell wird diese Hypothese prüfen.

Wie es weitergeht

Webb zeichnete die Entdeckungsdaten am 2. April 2025 auf, die Gemini-Nachbeobachtungen reichten bis in dieses Jahr, und die Studie wurde am 10. November 2026 veröffentlicht. Onoratos Team bereitet nun eine dynamische Untersuchung des Gases vor, das sich zwischen den beiden Quasaren bewegt, sowie ein auf Archivaufnahmen von Hubble basierendes Linsenmodell. Eine separate Studie unter Leitung von Roberto Decarli vom italienischen National Institute for Astrophysics wird über die Begleitgalaxien berichten, die in der gesamten Aether-Durchmusterung gefunden wurden – der erste Schritt hin zu der statistischen Stichprobe, die zeigen kann, ob Paare wie dieses häufig oder selten sind.

Referenz: Onorato et al., „Nāpōwawā‘enakaulua: A Close Quasar Pair at Cosmic Dawn in the Aether Survey,“ The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb11f

Schlagwörter: Astronomie, James Webb Space Telescope, JWST, Schwarze Löcher, Gemini North, Nāpōwawāʻenakaulua