„Schwarzes-Loch-Stern“: Ein Wunder?

Kleine rote Punkte geben Astronom:innen Rätsel auf, seit sie in JWST-Daten aus der tiefen Vergangenheit des Universums identifiziert wurden. Ihre ‚Motoren‘ könnten einem neu entdeckten Phänomen ähneln, das als „Schwarzes-Loch-Stern“ bezeichnet wird – ein frühes, rasch wachsendes Schwarzes Loch, das von dichtem Gas umhüllt ist. Dieses Objekt, das in einer heute in Nature veröffentlichten Studie von Forschenden des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und internationalen Kooperationspartner:innen beschrieben wird, könnte erklären, wie Schwarze Löcher mit Milliarden Sonnenmassen so kurz nach dem Urknall entstehen konnten.

Schwarze Löcher mit dem Millionen- bis Milliardenfachen der Sonnenmasse lauern in den Zentren massereicher Galaxien. Sie spielen eine entscheidende Rolle für das Schicksal von Galaxien, indem sie deren Wachstum, Entwicklung und Erscheinungsbild beeinflussen. Wenn sie aktiv Materie aufnehmen, verwandeln sich einige dieser kosmischen Leviathane in außergewöhnlich helle Quasare. Ihre Ursprünge bleiben jedoch schwer zu erklären.

„Bis jetzt wussten wir nur sehr wenig darüber, wie diese supermassereichen Schwarzen Löcher entstanden sind. Außerdem schienen einige im frühen Universum gefundene Quasare eigentlich viel zu massereich, um existieren zu können, weshalb Astronom:innen sie als ‚problematische Quasare‘ bezeichneten“, sagt Jorryt Matthee, Assistenzprofessor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA).

Matthee arbeitete im Rahmen der „Mirage or Miracle“-Analyse (zu Deutsch: „Trugbild oder Wunder“) von Daten des James Webb Space Telescope (JWST) gemeinsam mit Erstautor Rohan Naidu, Assistenzprofessor am Institute for Astronomy der University of Hawai’i. Die Studie wurde durchgeführt, als Naidu NASA Hubble Fellow und Pappalardo Fellow am Kavli Institute for Astrophysics and Space Research des MIT in den USA war.

Indem das Team den bislang frühesten „Schwarzes-Loch-Stern“ (Englisch, black hole star) am Beginn des Universums aufspürte, könnte es letztlich dazu beitragen, das Rätsel supermassereicher Schwarzer Löcher in der fernen Vergangenheit zu lösen. Der Schlüssel: Dieses neu identifizierte Objekt könnte den zentralen Motoren hinter Hunderten rätselhafter „kleiner roter Punkte“ ähneln, die das Team 2024 in JWST-Datensätzen fand – den „Baby-Quasaren“, wie Matthee sie damals beschrieb, nachdem er den Begriff „Little Red Dots“ geprägt hatte.

Ein Rätsel zur kosmischen Morgendämmerung lösen

Zu erklären, wie Quasare mit Milliarden Sonnenmassen entstehen konnten, als das Universum noch so jung war, stellt Wissenschafter:innen seit Jahrzehnten vor ein Rätsel. „Astronom:innen hat es nie an Vorstellungskraft gefehlt: Seit der Entdeckung der Quasare hat es nie an Theorien gemangelt, die erklären sollten, wie diese Schwarzen Löcher so schnell so massereich werden konnten“, sagt Naidu. „Im frühen Universum muss etwas Spektakuläres passiert sein. Jetzt können wir mit dem JWST diese Epoche direkt beobachten und selbst sehen, welche Szenarien tatsächlich eintreten.“

Nun hat das internationale Team um Naidu und Matthee im Rahmen der „Mirage or Miracle“-Datenanalyse ein einzigartiges Objekt zur kosmischen Morgendämmerung entdeckt, das neue Hinweise auf die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher liefert. Wenn das frühe Universum die „kosmische Morgendämmerung“ ist, wäre heute eher kosmischer Nachmittag oder Abend.

„‚Mirage or Miracle‘ hat gezielt Quellen ins Visier genommen, die als ‚riskant‘ gelten – das heißt, sie könnten entweder erstaunliche Entdeckungen sein oder bloß Störquellen, etwa einige kalte nahe Sterne, die wie ferne Galaxien aussehen. Die Datenanalyse brachte auch die am weitesten entfernte jemals bestätigte Galaxie hervor, MoM-z14“, erklärt Matthee.

Was das in dieser Studie entdeckte Objekt betrifft, wurde das Licht, das uns jetzt erreicht, vor 13 Milliarden Jahren ausgesandt – nur 660 Millionen Jahre nach dem Urknall. „Das von uns nachgewiesene Spektrum ist unser bester Hinweis auf einen Gasmantel, der ein früh entstehendes Schwarzes Loch speist“, erklärt Naidu. „Aufgrund seines Spektrums und in Anspielung auf den Namen der Analyse nannten wir das Objekt ‚MoM-BH*-1‘.“

Die zentralen Motoren von Baby-Quasaren?

Neben den charakteristischen Merkmalen supermassereicher Schwarzer Löcher zeigt MoM-BH*-1 Eigenschaften, die normalerweise mit Sternen in Verbindung gebracht werden. Dazu gehört ein spektraler „Sprung“, der sogenannte Balmer-Bruch. Im Fall von MoM-BH*-1 ist dieser spektrale Sprung außergewöhnlich stark – stärker als jene, die in sternbildenden Galaxien, staubfreien Sternpopulationen oder bei den rätselhaften kleinen roten Punkten beobachtet werden.

Die größte Herausforderung, um die kleinen roten Punkte zu verstehen, bestand bisher darin, die Emission des zentralen Objekts von jener der Galaxie zu trennen, in der es sich befindet. MoM-BH*-1 löst dieses Problem erstmals, indem es einen ungehinderten Blick auf seinen Kern ermöglicht. Anders als kleine rote Punkte scheint MoM-BH*-1 nahezu das gesamte beobachtete Licht zu erklären, sodass kaum Raum für Licht aus seiner Heimatgalaxie bleibt. Statt durch Staub gerötet zu sein – wie man bei kleinen roten Punkten nach ihrer ersten Entdeckung zunächst annahm –, ist der Schwarzes-Loch-Stern von Gas umhüllt. Dieses verschiebt seine Lichtemission zum roten Ende des Spektrums, ohne die Sicht zu blockieren – ähnlich der Lichtstreuung, die Sonnenuntergänge rot färbt.

„Wir modellierten MoM-BH*-1 als ein miniaturhaftes supermassereiches Schwarzes Loch in den frühesten Phasen seiner Entwicklung, umhüllt von extrem dichtem, turbulentem Gas, das eine staubfreie Hülle um es bildet“, sagt Naidu. „Theoretische Modelle haben bereits vorgeschlagen, dass frühe Schwarze Löcher, die in dichtes Gas eingebettet sind, durch sogenannte Super-Eddington-Akkretion rasch wachsen können.“

Darüber hinaus liegt MoM-BH*-1 in der Nähe einer helleren Galaxie, und Modelle deuten darauf hin, dass die beiden Objekte in etwa 100 Millionen Jahren verschmelzen werden. Durch die Überlagerung der Spektren beider kosmischer Objekte stellten die Forschenden fest, dass das kombinierte Spektrum jenem der kleinen roten Punkte sehr nahekommen würde. „Wenn Schwarzes-Loch-Sterne wie MoM-BH*-1 in ähnliche Heimatgalaxien eingebettet sind, könnten sie sehr wohl als zentrale Motoren von Baby-Quasaren dienen. Den Schwarzes-Loch-Stern als Vorlage für die Schwarzes-Loch-Komponente kleiner roter Punkte zu betrachten, hilft, viele der Unsicherheiten über sie zu klären“, sagt Matthee.

Schwarzes-Loch-Sterne zum kosmischen Mittag

Am 20. März 2025 wurde die Entdeckung von MoM-BH*-1 auf dem Preprint-Server arXiv gemeinsam mit einem weiteren Schwarzes-Loch-Stern mit dem Spitznamen „The Cliff“ bekannt gegeben – eines ähnlichen Objekts aus der Epoche des „kosmischen Mittags“, der Hochphase der Sternentstehung und des Galaxienwachstums im Universum, etwa 2 bis 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Die gleichzeitige Entdeckung zweier solcher Quellen trug dazu bei, in der Fachgemeinschaft einen Konsens darüber zu schaffen, dass es sich tatsächlich um eine neue Objektklasse handelt.

Nachdem Wissenschafter:innen nun Schwarzes-Loch-Sterne identifiziert haben, können deren Spektren als Vorlagen für die Suche nach weiteren Exemplaren dienen. In einer kürzlich in ApJ Letters erschienenen Publikation beschrieben ISTA-Postdoc Alberto Torralba, Matthee und Kolleg:innen einen weiteren Schwarzes-Loch-Stern aus der Zeit des kosmischen Mittags. Diese Beobachtung bestätigt zusätzlich, dass diese kuriosen Objekte auch zu späteren kosmischen Zeiten gefunden werden können – wenngleich sie dort wahrscheinlich deutlich seltener sind. Näher gelegene Objekte ermöglichen bessere Messungen, etwa mit dem Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte, das Torralba und Matthee in dieser Arbeit nutzten.

Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, bestehende Modelle zur Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher erneut zu prüfen und neue Modelle zu entwickeln, die besser zu den Beobachtungen passen. „Das sind unglaublich spannende Zeiten – mit fast tausend Fachartikeln und Preprints zu Little Red Dots in den vergangenen zwei bis drei Jahren“, sagt Matthee.

Zusammengenommen positionieren diese Beobachtungen Schwarzes-Loch-Sterne als die robusteste Erklärung für kleine rote Punkte und eröffnen einen Weg, das fünfzig Jahre alte Rätsel des Ursprungs und der Entwicklung supermassereicher Schwarzer Löcher zu lösen.

„Alles andere als ein Trugbild könnte dies sehr wohl ein kosmisches Wunder sein“, schließt Matthee in Anspielung auf den Namen des Projektes.

Publikation:

Rohan P. Naidu, Jorryt Matthee, et al. 2026. A Gas Enshrouded and Gas Reddened Black Hole at Cosmic Dawn. Nature. DOI: 10.1038/s41586-026-10846-4

Projektförderung:

Diese Arbeit basiert auf Beobachtungen mit dem NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope. Die Daten wurden aus dem Mikulski Archive for Space Telescopes am Space Telescope Science Institute bezogen, das von der Association of Universities for Research in Astronomy, Inc., im Rahmen des NASA-Vertrags NAS 5-03127 für JWST betrieben wird. Diese Beobachtungen sind den Programmen 5224 und 3543 zugeordnet.

Ein Teil der in dieser Studie präsentierten Daten wurde aus dem Dawn JWST Archive (DJA) abgerufen. DJA ist eine Initiative des Cosmic Dawn Center (DAWN), das von der Danish National Research Foundation im Rahmen der Förderung DNRF140 finanziert wird.

Dieses Projekt wurde durch Mittel aus den JWST-Programmen GO-3516, GO-5224 und GO-1837 unterstützt. Unterstützung für diese Arbeit wurde von der NASA über das NASA Hubble Fellowship Grant HST-HF2-51515.001-A bereitgestellt, das vom Space Telescope Science Institute vergeben wurde, welches von der Association of Universities for Research in Astronomy, Incorporated, im Rahmen des NASA-Vertrags NAS5-26555 betrieben wird. Diese Arbeit wurde außerdem von der Europäischen Union finanziert (ERC AGENTS, 101076224; HEAVYMETAL, 101071865; RED CARDINAL, 101076080), vom Schweizer Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI) unter der Vertragsnummer MB22.00072 sowie vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) über die Projektförderung 200020 207349. Diese Arbeit wurde zudem durch JSPS KAKENHI, Fördernummer 23H00131, unterstützt.

Die Autor:innen danken darüber hinaus der Gordon and Betty Moore Foundation und der John Templeton Foundation für ihre Unterstützung, die die Black Hole Initiative (BHI) an der Harvard University finanzieren, sowie einem UK Research & Innovation (UKRI) Future Leaders Fellowship [Fördernummer MR/V023381/1].

Verwandte Publikation:

Alberto Torralba, Jorryt Matthee, et al. 2026. A Black Hole Star at Cosmic Noon: Extreme Balmer Break, Photospheric Continuum, and Broad Absorption by Thick Winds in a Little Red Dot at z = 1.7. The Astrophysical Journal Letters. DOI: 10.3847/2041-8213/ae7bfd