Nur 900 Millionen Jahre nach dem Urknall leuchten zwei gewaltige Quasare dicht nebeneinander. Die dahinter vermuteten Schwarzen Löcher besitzen rund 1,5 Milliarden und 400 Millionen Sonnenmassen. Das System wäre damit das älteste bekannte kompakte Quasarpaar und zugleich das engste seiner kosmischen Epoche. Wie solche Riesen so früh wachsen konnten, ist bislang ungeklärt; außerdem lässt die Studie eine mögliche Gravitationslinse noch als alternative Erklärung offen.
Das internationale Team um Silvia Onorato vom US-amerikanischen National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NSF NOIRLab) untersuchte das System J1602+4228AB. Sein hawaiianischer Name lautet Nāpōwawāʻenakaulua. Die Astronomen sehen die beiden Lichtquellen in einer Zeit, in der das Universum erst ungefähr ein Dreizehntel seines heutigen Alters erreicht hatte. Ihre Beobachtungen verbinden Daten des James-Webb-Weltraumteleskops mit Messungen des Gemini-North-Teleskops auf Hawaii.
Die Entdeckung ist deshalb bemerkenswert, weil bereits ein einzelner Quasar mit einer derart massereichen zentralen Schwerkraftfalle in dieser frühen kosmischen Epoche schwer zu erklären ist. Nun kommt ein zweiter, deutlich lichtschwächerer Quasar in unmittelbarer Nachbarschaft hinzu. Die Fachleute sehen darin einen seltenen Einblick in die Entstehung der ersten massereichen Galaxien und ihrer zentralen Schwarzen Löcher. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal The Astrophysical Journal Letters; die Mitteilung des NSF NOIRLab beschreibt die Beobachtungen und ihre Einordnung.
Quasare gehören zu den hellsten bekannten Objekten im Universum. Ihr Licht stammt nicht unmittelbar aus dem Schwarzen Loch, denn aus dessen Innerem kann keine Strahlung entkommen. Sichtbar wird vielmehr das Material, das sich auf einer spiralförmigen Bahn dem Ereignishorizont nähert. Gas und Staub bilden eine extrem heiße Akkretionsscheibe, werden durch Reibung und andere Prozesse aufgeheizt und geben enorme Energiemengen ab. Dadurch kann der zentrale Bereich einer Galaxie heller leuchten als sämtliche Sterne seiner Wirtsgalaxie zusammen.
Im neu untersuchten System sind beide Quellen aktive Quasare. Die Messungen ordnen sie einer Rotverschiebung von ungefähr 6,08 zu. Wegen der Ausdehnung des Universums erreicht uns ihr Licht stark gedehnt und aus einer Zeit, als der Kosmos erst rund 900 Millionen Jahre alt war. Die Beobachtung zeigt somit nicht den heutigen Zustand der Objekte, sondern ein Bild aus der Frühgeschichte des Universums. In dieser Phase entstanden die ersten großen Galaxien, während ihre zentralen Schwarzen Löcher bereits beträchtliche Massen ansammelten.
Die beiden geschätzten Massen liegen bei rund 1,5 Milliarden und 400 Millionen Sonnenmassen. Der größere Wert gehört zur helleren Komponente J1602+4228A, der kleinere zum schwächeren Begleiter J1602+4228B. Solche Massenordnungen sind auch von supermassereichen Schwarzen Löchern in der heutigen kosmischen Umgebung bekannt. Für die frühe Epoche ist ihr Vorhandensein jedoch erklärungsbedürftig: Die Objekte hatten nach dem Urknall vergleichsweise wenig Zeit, um aus kleineren Ausgangskörpern zu wachsen.
Die Schätzungen beruhen auf Spektren und sogenannten Ein-Epochen-Virialmethoden. Dabei werden die Helligkeit des Quasars und die Breite bestimmter Emissionslinien kombiniert, um die Masse des zentralen Schwarzen Lochs abzuleiten. Das ist ein etabliertes Verfahren für weit entfernte Quasare, aber keine direkte Wägung. Die Autoren weisen darauf hin, dass systematische Unsicherheiten der verwendeten Massenkalibrierungen größer sein können als die rein statistischen Fehler der Spektrenanpassung. Die angegebenen Werte sind deshalb begründete Schätzungen und keine exakten Waagenmessungen.
Auf der Himmelsebene liegen die beiden Quasare nur 0,98 Bogensekunden auseinander. Aus der kosmologischen Entfernung ergibt sich daraus ein projizierter Abstand von etwa 5,56 Kiloparsec oder rund 18.100 Lichtjahren. Zum Vergleich: Der Durchmesser der Milchstraße beträgt ungefähr 100.000 Lichtjahre. Der Abstand der beiden Quellen entspricht damit grob einem Fünftel des Durchmessers unserer Heimatgalaxie.
Wichtig ist die Bezeichnung „projiziert“. Teleskope messen zunächst die scheinbare Trennung am Himmel. Eine mögliche Entfernung der Objekte entlang unserer Sichtlinie lässt sich daraus nicht unmittelbar ablesen. Die Spektren zeigen zwar sehr ähnliche Rotverschiebungen und nur einen kleinen gemessenen Unterschied der Sichtliniengeschwindigkeit. Das passt zu einer gemeinsamen Umgebung, legt den vollständigen dreidimensionalen Abstand aber nicht allein fest. Auch eine direkte dynamische Wechselwirkung ist damit noch nicht abschließend nachgewiesen.
Innerhalb der Epoche der kosmischen Morgendämmerung ist das System das dritte bekannte Quasarpaar. Zugleich ist es das kompakteste bislang beschriebene Paar aus dieser Zeit. Die Kombination aus großer Masse und geringem projiziertem Abstand macht den Fund zu einem besonders interessanten Prüfstein für Modelle der frühen Galaxienentwicklung. Frühere Untersuchungen zu zwei aktiven Zentren in einer jungen Galaxie, etwa LID-1166 mit zwei Schwarzen Löchern, zeigen, wie Galaxienwechselwirkungen das Wachstum mehrerer zentraler Objekte begleiten können. Das neue System liegt jedoch noch deutlich früher in der kosmischen Geschichte.
Der Ausgangspunkt war die Aether-Durchmusterung, ein Beobachtungsprogramm mit dem James-Webb-Weltraumteleskop unter Leitung von Emanuele Paolo Farina. Aether erfasst Quasare aus dem frühen Universum und nutzt dafür den Nahinfrarot-Spektrografen NIRSpec. Dessen Integral-Field-Unit-Modus liefert nicht nur ein einzelnes Spektrum für ein gesamtes Ziel, sondern räumlich aufgelöste Spektralinformationen aus einem kleinen Himmelsfeld. So können Astronomen untersuchen, an welchen Positionen unterschiedliche Lichtanteile entstehen.
Der Datensatz umfasst 200 Quasare und damit nach Angaben des Teams rund 43 Prozent der bekannten Quasare aus dieser kosmischen Epoche. Bei der visuellen Durchsicht der Webb-Daten fiel auf, dass J1602+4228A nicht allein stand. In unmittelbarer Nähe befand sich eine zweite Lichtquelle mit Hinweisen auf einen eigenen aktiven Quasarkern. Die systematische Suche nach solchen Begleitern ist schwierig, weil die Objekte extrem weit entfernt und lichtschwach sind. Bei einem so geringen Winkelabstand können ihre Signale zudem leicht ineinander übergehen.
Die Webb-Beobachtung lieferte den entscheidenden Hinweis, doch für die genauere Trennung der beiden Quellen waren zusätzliche Messungen nötig. Das Team setzte dafür das Gemini-North-Teleskop auf dem Maunakea auf Hawaii ein. Sein Instrument GNIRS, der Gemini Near-Infrared Spectrograph, nahm Spektren beider Komponenten auf. Die Bedingungen waren außergewöhnlich günstig: Laut Onorato gelang die Beobachtung des schwachen Begleiters innerhalb von nur zwei Nächten mit sehr klarer und stabiler Atmosphäre. Ergänzende Daten des Gemini Multi-Object Spectrograph GMOS halfen, die Eigenschaften der schwächeren Quelle weiter einzugrenzen.
Gerade diese Kombination unterschiedlicher Instrumente war wichtig. Webb konnte das enge Paar im Infrarotbereich erkennen und räumlich auflösen. Gemini North ergänzte die Beobachtung mit Spektren, die Hinweise auf die Art der Lichtquellen und ihre Bewegung liefern. Die Forscher untersuchten unter anderem breite Wasserstofflinien sowie die schmalen Linien des ionisierten Sauerstoffs. Aus deren Formen und Positionen leiteten sie die physikalischen Eigenschaften der beiden Quasare ab.
Die Interpretation als zwei eigenständige Quasare ist gut begründet, aber noch nicht in jedem Punkt endgültig abgesichert. Eine Gravitationslinse kann das Bild einer weit entfernten Lichtquelle aufspalten. Dabei lenkt die Schwerkraft einer massereichen Vordergrundgalaxie das Licht so ab, dass ein einzelner Quasar aus unserer Perspektive an mehreren Stellen erscheint. In einem solchen Fall würden zwei Lichtpunkte nicht automatisch zwei Schwarze Löcher bedeuten.
Die Autoren vergleichen deshalb die Spektren der beiden Komponenten. Unterschiede in den Kontinuumsformen und den breiten Emissionslinien sprechen für zwei eigenständige Quellen, könnten teilweise aber auch durch sogenannte Mikrolinseneffekte beeinflusst werden. Besonders hilfreich sind die schmalen Linien des doppelt ionisierten Sauerstoffs. Ihre Geschwindigkeitszentren stimmen eng überein, während sich die Ausströmungskomponenten leicht unterscheiden. Diese Merkmale führen das Team dazu, ein echtes physisches Quasarpaar vorläufig zu bevorzugen.
Eine mögliche Vordergrundgalaxie in der Nähe der schwächeren Komponente macht die Prüfung jedoch komplizierter. Solange deren Rolle nicht durch zusätzliche Spektren und ein belastbares Linsenmodell geklärt ist, kann eine Gravitationslinse nicht vollständig ausgeschlossen werden. Die Studie formuliert deshalb vorsichtiger als eine definitive Bestätigung zweier unabhängig voneinander liegender Schwarzer Löcher. Auch die räumliche Nähe und die ähnlichen Geschwindigkeiten beweisen für sich genommen keine direkte Wechselwirkung. Eine umfassendere dynamische Analyse des Gases zwischen den Quellen ist nach Angaben der Autoren noch ausstehend.
Warum die beiden Quasare bereits so massereich sind, bleibt eine offene Frage. Silvia Onorato zufolge gibt es bislang keine definitive theoretische Erklärung dafür, wie ein einzelner derart großer Quasar so früh im Universum existieren konnte. Das gleichzeitige Auftreten zweier solcher Quellen verschärft die Herausforderung für Modelle, die das Wachstum supermassereicher Schwarzer Löcher beschreiben. Die Beobachtung widerlegt damit keine etablierte Naturregel. Sie zeigt vielmehr, dass die Entstehungswege und Wachstumsraten im jungen Kosmos noch nicht vollständig verstanden sind.
Als mögliche Erklärung schlägt das Team eine besonders dichte Region des frühen Universums vor. In einem solchen Dichtemaximum könnten Galaxien häufig miteinander wechselwirken. Solche Begegnungen können Gas aus den äußeren Bereichen in Richtung der Galaxienzentren transportieren. Dort steht den Schwarzen Löchern mehr Material zur Verfügung, das in die Akkretionsscheiben strömen und ihre Aktivität antreiben kann. Dieselben Wechselwirkungen können zugleich Gas verdichten und dadurch die Bildung neuer Sterne begünstigen.
Die Idee passt zu theoretischen Erwartungen, nach denen sehr massereiche Schwarze Löcher in der Frühzeit bevorzugt in besonders großen und dichten Materieansammlungen wachsen. Ein enges Quasarpaar könnte daher ein Hinweis auf eine Umgebung sein, in der mehrere Prozesse gleichzeitig ablaufen: Galaxien sammeln Materie, Sternentstehung nimmt zu und die zentralen Schwarzen Löcher erhalten zusätzlichen Nachschub. Die Autoren betonen allerdings, dass ein einzelnes System nicht ausreicht, um diese Erklärung statistisch zu bestätigen.
Auch der Vergleich mit der erwarteten Häufigkeit solcher Paare bleibt mit Unsicherheiten behaftet. Die Studie findet für die sehr kleinen Abstände einen deutlichen Überschuss gegenüber einfachen Extrapolationen aus Messungen auf größeren Skalen. Diese Extrapolationen sind in dem untersuchten Bereich jedoch unsicher und stimmen nicht vollständig mit theoretischen Simulationen überein. Eine reale Wechselwirkung könnte den Überschuss verstärken, doch erst eine größere Zahl vergleichbarer Systeme wird zeigen, wie häufig solche Konstellationen tatsächlich vorkommen.
Für die Astronomie liefert Nāpōwawāʻenakaulua damit mehr als einen ungewöhnlichen Rekord. Das System verbindet zwei Fragen, die bislang oft getrennt untersucht wurden: Wie konnten einzelne Schwarze Löcher in weniger als einer Milliarde Jahren Milliarden Sonnenmassen erreichen, und welche Rolle spielten dabei enge Galaxiennachbarschaften? Ein Vergleich mit anderen frühen Quasaren und Kandidaten für besonders schnelle Schwarze-Loch-Entstehung, darunter der von Webb untersuchte Schwarzes-Loch-Stern, kann helfen, unterschiedliche Entstehungsszenarien voneinander zu unterscheiden.
Künftige Beobachtungen müssen zunächst die Natur des schwächeren Begleiters weiter absichern. Eine genauere Untersuchung der möglichen Vordergrundgalaxie und ein vollständiges Modell der Lichtablenkung könnten klären, ob tatsächlich zwei Quasare vorliegen. Hochaufgelöste Messungen der Gasbewegungen zwischen den Quellen würden zusätzlich zeigen, ob beide Objekte gravitativ miteinander verbunden sind und wie ihre Umgebung aufgebaut ist.
Parallel dazu kann die Aether-Durchmusterung nach weiteren Begleitern in den bereits erfassten Daten suchen. Größere Stichproben wären nötig, um zu bestimmen, ob extrem enge Quasare in der Frühzeit seltene Ausnahmen oder bislang übersehene Bestandteile der Galaxienentwicklung sind. Erst dann lässt sich beurteilen, wie stark Wechselwirkungen das Wachstum der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher tatsächlich beschleunigten.
Titelbild: Künstlerische Darstellung von Nāpōwawāʻenakaulua über dem Maunakea von International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld/M. Zamani, NSF NOIRLab / International Gemini Observatory, Lizenz CC BY 4.0, zugeschnitten.
Onorato et al., Nāpōwawāʻenakaulua: a close quasar pair at cosmic dawn in the Aether survey, The Astrophysical Journal Letters 2026; doi:10.3847/2041-8213/aeb11f
NSF NOIRLab, Astronomers Discover Nāpōwawāʻenakaulua, the Oldest Compact Quasar Pair in the Universe, 10. November 2026
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