Dennis L.
Quasare zählen zu den leuchtstärksten Objekten des gesamten Kosmos und verraten, wie das Universum in seiner Frühzeit aussah. Ein europäisches Weltraumteleskop hat nun gemeinsam mit einer lernfähigen Software eine ganze Reihe dieser fernen Leuchtfeuer aus der kosmischen Morgendämmerung aufgespürt. Zwei der Funde liegen so weit entfernt, dass ihr Licht mehr als 13 Milliarden Jahre zu uns unterwegs war. Damit rückt eine Epoche in den Blick, die bislang kaum systematisch untersucht werden konnte. Für die Astronomie öffnet sich so ein neues Fenster in die erste Milliarde Jahre nach dem Urknall.
Quasistellare Objekte, kurz Quasare, zählen zu den leuchtkräftigsten Erscheinungen im gesamten Kosmos und entstehen dort, wo im Zentrum einer Galaxie ein supermassereiches Schwarzes Loch riesige Mengen Gas und Staub verschlingt. Beim Sturz der Materie in diesen Schlund wird ein gewaltiger Anteil der Energie als Strahlung frei, sodass ein einzelner solcher Kern seine gesamte Wirtsgalaxie um das Hundert- bis Tausendfache überstrahlen kann. Weil sich diese Quasare selbst über Entfernungen von vielen Milliarden Lichtjahren nachweisen lassen, dienen sie der Astronomie als kosmische Leuchtfeuer, mit denen sich die Geschichte des Weltalls bis in seine Anfänge zurückverfolgen lässt. Besonders begehrt sind Exemplare aus der Frühzeit kurz nach dem Urknall, weil sie zeigen, wie schnell die allerersten Galaxien und ihre zentralen Schwarzen Löcher heranwuchsen und unter welchen Bedingungen dies geschah.
Ein zentrales Werkzeug, um die Entfernung und das Alter solcher Objekte zu bestimmen, ist die Rotverschiebung. Durch die stetige Ausdehnung des Raums wird das Licht ferner Quellen zu längeren Wellenlängen gedehnt, sodass sichtbare Strahlung mit wachsender Distanz in den nahinfraroten Bereich rutscht. Je größer die gemessene Rotverschiebung ausfällt, desto weiter reicht der Blick in die Vergangenheit des Universums. Ein Wert von sieben entspricht einer Epoche, in der der Kosmos erst rund fünf Prozent seines heutigen Alters erreicht hatte. Genau in diesem Bereich wird die Suche jedoch äußerst schwierig, denn frühe Quasare sind selten, vergleichsweise lichtschwach und lassen sich in Himmelsdurchmusterungen kaum von den zahllosen näheren Sternen unterscheiden, die auf Aufnahmen fast identisch erscheinen.
Objekte, die früher als etwa 770 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden, gehören zu den größten Herausforderungen der beobachtenden Astronomie. Zu jener Zeit existierten kaum Galaxien, die weit genug entwickelt waren, um in ihrem Kern überhaupt einen Quasar hervorzubringen. Hinzu kommt, dass die urzeitlichen Kandidaten häufig eine geringere Leuchtkraft besitzen und deshalb leicht mit gewöhnlichen Sternen der Milchstraße verwechselt werden. Erschwerend wirkt die Erdatmosphäre, die selbst im nahinfraroten Bereich schwach leuchtet und damit genau jenes Signal überdeckt, in das die Rotverschiebung das Licht der fernsten Quellen verschiebt. Auf jeden echten frühen Quasar kommen daher Tausende ähnlich aussehende Lichtpunkte, sodass eine Durchmusterung zugleich sehr großflächig und außergewöhnlich empfindlich sein muss, um diese seltenen Leuchtfeuer zuverlässig einzufangen.
Um dieses Problem zu lösen, betreibt die Europäische Weltraumorganisation seit 2023 das Weltraumteleskop Euclid, das oberhalb der störenden Lufthülle arbeitet und dadurch weite Himmelsregionen in gleichbleibender Schärfe abtasten kann. In den Daten der laufenden Durchmusterung haben Forscher nun insgesamt 31 bislang unbekannte Quasare aus dem jungen Kosmos aufgespürt, so viele in diesem extremen Entfernungsbereich wie nie zuvor. Die beiden entlegensten Objekte tragen die Bezeichnungen EUCL J172902.75+641018.1 und EUCL J125308.55+705432.3 und erreichen Rotverschiebungen von 7,77 und 7,69. Ihr Licht war über 13 Milliarden Jahre unterwegs und stammt aus den ersten rund 670 Millionen Jahren nach dem Urknall, als der Kosmos gerade fünf Prozent seines heutigen Alters besaß und die Quasare so hell wie etwa eine Billion Sonnen strahlten.
Damit lösen diese beiden Kerne den bisherigen Rekordhalter ab, der 2021 mit einer Rotverschiebung von 7,64 gefunden wurde, und gelten nun als früheste Quasare der bekannten Kosmosgeschichte. Mehr als ein Dutzend der neuen Funde liegt bei einer Rotverschiebung von mindestens sieben, wodurch sich die Zahl der bekannten Objekte aus dieser Epoche innerhalb eines einzigen Jahres mehr als verdoppelt hat. Möglich wurde das nicht allein durch das empfindliche Teleskop, sondern auch durch eine künstliche Intelligenz, die aus mehreren zehn Millionen Lichtquellen die wenigen echten Quasare herausfilterte und die überwältigende Mehrheit gewöhnlicher Sterne und Galaxien zuverlässig aussortierte. Damit hat die Astronomie erstmals so etwas wie eine systematische Volkszählung der Leuchtfeuer aus der kosmischen Morgendämmerung durchgeführt, statt nur einzelne, besonders helle Ausnahmeobjekte zu erfassen.
Schwarze Löcher mit Hunderten Millionen Sonnenmassen zu einem so frühen Zeitpunkt werfen eine grundlegende Frage auf, denn bislang ist unklar, wie das All in so kurzer Zeit derart massereiche Gebilde hervorbringen konnte. Eine genauere Untersuchung des zweitältesten Fundes, deren Ergebnisse im Fachmagazin Astronomy and Astrophysics erschienen sind, zeigt einen Quasar inmitten einer staubreichen, gasgefüllten Galaxie, in der mit hoher Rate neue Sterne entstanden. Dieser Befund liefert einen seltenen Hinweis darauf, wie die Wirtsgalaxien der ersten Quasare aufgebaut waren. Zugleich stammen die Objekte aus der Epoche der Reionisierung, in der die ersten Sterne und Galaxien den zuvor neutralen Wasserstoffnebel des Alls ionisierten und damit die Bühne für die spätere kosmische Struktur bereiteten.
Getragen wird das Projekt vom Euclid Consortium, einem Verbund aus mehr als 150 Forschungseinrichtungen in Europa, den USA, Kanada und Japan, an dem auch deutsche Institute und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligt sind. Bereits die ersten Aufnahmen des Weltraumteleskops Euclid hatten die Leistungsfähigkeit der Mission angedeutet, die über mindestens sechs Jahre mehr als ein Drittel des Himmels vermessen soll. Die aktuellen Funde beruhen erst auf einem kleinen Ausschnitt dieser Durchmusterung, weshalb weitere Entdeckungen aus dem frühen Universum wahrscheinlich sind. Als nächstes Ziel nennen die Beteiligten den ersten Quasar mit einer Rotverschiebung von acht, der aus einer Zeit stammen würde, in der der Kosmos erst etwa 630 Millionen Jahre alt war.
Astronomy and Astrophysics, Euclid: Discovery of 31 new quasars at redshift 6.6 to 7.8; doi:10.1051/0004-6361/202658883