Originalveröffentlichung am 27.05.2026 zu finden unter: https://webbtelescope.org/news/news-releases

Zusammenfassung: Die erste direkte Messung der Masse aus dem frühen Universum liefert neue Erkenntnisse für die Diskussion über die Entstehung supermassereicher Schwarzer Löcher

Wie konnte ein supermassereiches Schwarzes Loch, das mehrere zehn Millionen Mal so massereich ist wie die Sonne – ein Schwarzes Loch, das bereits 700 Millionen Jahre nach dem Urknall riesig war – durch den Kollaps eines einzigen Sterns entstanden sein? Vielleicht war das gar nicht der Fall.

Mithilfe der beispiellosen bildgebenden und spektroskopischen Leistungsfähigkeit von NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop haben Forscher die Bewegung und Zusammensetzung von Gas kartiert, das ein Schwarzes Loch im Zentrum von Abell 2744-QSO1 umkreist, einer winzigen Galaxie in mehr als 13 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Die Ergebnisse deuten darauf hin, daß das Schwarze Loch mit einer Masse von 50 Millionen Sonnenmassen älter ist als seine Wirtsgalaxie, sich möglicherweise innerhalb der ersten Sekunde des Urknalls gebildet hat und von Anfang an riesig gewesen sein muß.

Was war zuerst da, die Galaxie oder das Schwarze Loch? Wir wissen es nicht, aber Wissenschaftler gehen seit langem davon aus, daß es die Galaxie sein könnte: Große Sterne innerhalb einer bestehenden Galaxie verbrauchen ihren Brennstoff und kollabieren zu Schwarzen Löchern, die umgebendes Material verschlingen und im Laufe der Zeit zu noch massereicheren Gebilden verschmelzen können.

Es ist jedoch schwer zu verstehen, wie Schwarze Löcher, die Millionen- bis Milliardenfach so massereich sind wie die Sonne – von denen inzwischen Tausende im frühen Universum entdeckt wurden – aus solch winzigen Keimen so schnell gewachsen sein könnten.

Nun haben Forscher mithilfe von NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop eindeutige Hinweise darauf gefunden, daß einige supermassereiche Schwarze Löcher von Anfang an riesig waren und sich ohne eine Phase eines stellaren Kollapses und ohne eine deutlich massereichere Wirtsgalaxie, die sie mit Materie versorgte, gebildet haben.

„Das ist eine bemerkenswerte Erkenntnis“, sagte Roberto Maiolino von der Universität Cambridge im Vereinigten Königreich, Mitautor der in Nature und den Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlichten Studien. „Es handelt sich um einen Paradigmenwechsel, eine völlige Neubetrachtung der klassischen Szenarien zur Entstehung und zum Wachstum von Schwarzen Löchern.“

Kleiner Roter Punkt QSO1

Die Schlußfolgerung des Teams stützt sich auf detaillierte Beobachtungen von Abell 2744-QSO1 (QSO1), einem typischen „Kleinen Roten Punkt (Little Red Dot)“, der bereits 700 Millionen Jahre nach dem Urknall existierte.

Obwohl QSO1 nur einen Durchmesser von 1.300 Lichtjahren besitzt und sein Licht mehr als 13 Milliarden Jahre lang unterwegs war, läßt es sich leichter untersuchen als die meisten anderen „Little Red Dots“, da sein Licht durch die Schwerkraft des Galaxienclusters Abell 2744 (Pandora-Cluster) gebündelt wird. QSO1 wird sowohl vergrößert als auch dreifach abgebildet und erscheint an drei verschiedenen Stellen am Himmel.

Erste Untersuchungen von QSO1 lieferten überzeugende Hinweise darauf, daß es sich dabei möglicherweise um nicht viel mehr als eine Wolke aus leuchtendem Wasserstoff- und Heliumgas handelt, die ein supermassereiches Schwarzes Loch umkreist, dessen Masse auf das 40-Millionenfache der Sonnenmasse geschätzt wird. Doch wie bei anderen frühen Schwarzen Löchern, die vom Webb-Teleskop entdeckt wurden, bestand Unsicherheit darüber, ob es tatsächlich so massereich war.

„Bislang waren alle Messungen der Masse von Schwarzen Löchern im frühen Universum indirekter Natur und basierten auf Annahmen, die auf unseren Erkenntnissen über sie im lokalen Universum beruhten. Wir wußten nicht, ob diese Annahmen auch wirklich auf das ferne Universum zutreffen“, sagte Mitautor Francesco D’Eugenio, ebenfalls von der Universität Cambridge.

Erfassung der Gaszusammensetzung und der Geschwindigkeit

Das Team erkannte, daß sie, falls das Schwarze Loch von QSO1 tatsächlich so massereich ist, wie es den Anschein hat, mithilfe der Integral-Field-Unit (IFU) am NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) des Webb-Teleskops die Auswirkungen seiner Schwerkraft auf das um es herumwirbelnde Gas nachverfolgen und gleichzeitig die Verteilung verschiedener Elemente in diesem Gas kartieren könnten.

Der Doktorand Ignas Juodžbalis aus Cambridge und Cosimo Marconcini von der Universität Florenz, die Hauptautoren einer der Studien, nutzten die IFU-Beobachtungen, um die Bewegungen des Wasserstoffgases um das Schwarze Loch herum zu kartieren. Als sie die Rotationsgeschwindigkeit als Funktion der Entfernung vom Zentrum auftrugen, stellten sie fest, daß das Gas eine Keplersche Bewegung aufweist: Es umkreist einen zentralen Punkt auf dieselbe Weise, wie die Planeten in unserem Sonnensystem die Sonne umkreisen.

„Das ist wichtig, weil es uns zeigt, daß der größte Teil der Masse von QSO1 im Schwarzen Loch im Zentrum konzentriert ist“, sagte Juodžbalis. „Wäre die Masse gleichmäßiger verteilt – wie es der Fall wäre, wenn es dort viele Sterne gäbe – hätte das Gas nicht diese perfekte Keplersche Rotation.“

Da die Keplersche Bewegung einfachen Gesetzen der Schwerkraft unterliegt, konnte das Team anhand der Gasgeschwindigkeitsmessungen die Masse des Schwarzen Lochs direkt berechnen – eine Leistung, die zuvor nicht möglich gewesen war.

Sie stellten fest, daß das Schwarze Loch nicht nur riesig ist – es hat eine Masse von etwa 50 Millionen Sonnenmassen – sondern auch mindestens erstaunliche zwei Drittel der Gesamtmasse von QSO1 ausmacht. Dieser Anteil ist tausendmal größer als in benachbarten Galaxien, wo supermassereiche Schwarze Löcher nur einen winzigen Bruchteil der Gesamtmasse der Wirtsgalaxie ausmachen.

Die IFU-Karten zur Zusammensetzung bestätigten diese Ergebnisse und zeigten, daß das Gas in QSO1 fast ausschließlich aus Wasserstoff und Helium besteht, während schwerere Elemente wie Sauerstoff, die man in einer Galaxie mit vielen Sternen und Sternenrückständen erwarten würde, nur in sehr geringen Mengen vorhanden sind. Mit einer Metallizität von weniger als 0,5 % der Sonnenmetallizität ist QSO1 eine der ursprünglichsten galaktischen Umgebungen, die je gemessen wurden.

„Das ist ein phänomenales Ergebnis“, sagte Maiolino. „Es handelt sich um die erste direkte Messung der Masse eines Schwarzen Lochs innerhalb der ersten Milliarde Jahre nach dem Urknall, und sie stimmt mit früheren Messungen überein.“ Das Team sieht darin ein gutes Zeichen dafür, daß die Annahmen, die für indirekte Massenmessungen herangezogen wurden, zutreffend sind und die Massen anderer Schwarzer Löcher im frühen Universum nicht überschätzt wurden.

Der Ursprung supermassereicher Schwarzer Löcher

Die im Vergleich zu seiner Wirtsgalaxie überdurchschnittlich große Masse von QSO1 läßt vermuten, daß es sich nicht schrittweise aus der Verschmelzung und der Materieaufnahme viel kleinerer Schwarzer Löcher mit Sternenmasse gebildet haben kann. „Es scheint, als hätten wir ein Schwarzes Loch gefunden, das keine nennenswerte Wirtsgalaxie besitzt und älter ist als stellare Prozesse“, sagte Juodžbalis. „Das ist sehr spannend, denn es ist ein Hinweis auf uranfängliche Schwarze Löcher oder durch direkten Kollaps entstandene Schwarze Löcher, die zwar theoretisch vorhergesagt, aber noch nicht bestätigt wurden.“

Unabhängig davon, ob sich das Schwarze Loch von QSO1 aus einem „schweren Keim“ entwickelt hat, der sich innerhalb der ersten Sekunde des Urknalls gebildet hat, oder etwas später aus dem Zusammenbruch einer riesigen Gaswolke – es ist mit ziemlicher Sicherheit von Anfang an riesig gewesen und befindet sich möglicherweise in einem frühen Stadium der Entstehung einer Galaxie um sich herum.

Das Team geht davon aus, daß „Little Red Dots“ wie QSO1 im frühen Universum keine Seltenheit gewesen sein können, und analysiert derzeit ähnliche Objekte, um herauszufinden, ob supermassereiche Schwarze Löcher tatsächlich älter sind als die Galaxien, in denen sie sich heute befinden.

Das James-Webb-Weltraumteleskop ist das weltweit führende Observatorium für Weltraumforschung. Webb wird Rätsel in unserem Sonnensystem lösen, einen Blick auf ferne Welten um andere Sterne werfen und die geheimnisvollen Strukturen und Ursprünge unseres Universums und unseren Platz darin erforschen. Webb ist ein internationales Programm unter der Leitung der NASA und ihrer Partner ESA (Europäische Weltraumorganisation) und CSA (Kanadische Weltraumorganisation).

Little Red Dot Abell 2744-QSO1 (NIRCam Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Pandora’s Cluster, Abell 2744, Abell 2744-QSO1
• Objektbeschreibung: Galaxiencluster und Gravitationslinse für das Schwarze Loch bei z=7
• Rektaszension: 00:14:18.25
• Deklination: -30:22:46.04
• Sternbild: Sculptor
• Entfernung: Etwa 3,5 Milliarden Lichtjahre bis zum Galaxiencluster und 13,1 Milliarden Lichtjahre bis zu QSO1
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von 4,3 Bogenminuten
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F115W, F150W, F200W, F277W, F356W, F444W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind eine Zusammensetzung aus einzelnen Aufnahmen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um bestimmte Wellenlängenbereiche abzubilden. Die Farben ergeben sich aus der Zuordnung unterschiedlicher Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F115W+F150W Grün: F200W+F277W Rot: F356W+F444W

Über das Bild: Eine Aufnahme der NIRCam (Near Infrared Camera) von NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop zeigt Abell 2744-QSO1, vergrößert und dreifach abgebildet durch den Galaxiencluster Abell 2744.

Abell 2744-QSO1 (QSO1) ist ein prototypischer „Kleiner Roter Punkt“, einer der ersten von mittlerweile Hunderten winziger, leuchtender Infrarotlichtpunkte, die Webb im frühen Universum entdeckt hat. QSO1 hat einen Durchmesser von etwa 1.300 Lichtjahren und mit einer kosmologischen Rotverschiebung (z) von 7 stammt sein Licht aus einer Zeit nur 700 Millionen Jahre nach dem Urknall, als das Universum erst 5 % seines heutigen Alters hatte. QSO1 eignet sich ideal für Untersuchungen, da es durch Gravitationslinsen vergrößert und durch Abell 2744, den dazwischenliegenden Mega-Galaxiencluster, der die umgebende Raumzeit krümmt, dreifach abgebildet wird.

Eine detaillierte Untersuchung des hellsten der drei Linsenbilder, QSO1A (oben rechts), zeigt, daß das Objekt aus einem zentralen supermassereichen Schwarzen Loch besteht, dessen Masse das 50-Millionenfache der Sonnenmasse beträgt und das von einer Wolke aus Wasserstoff- und Heliumgas umgeben ist, die nur sehr geringe Mengen schwererer Elemente wie Sauerstoff enthält. Im Gegensatz zu supermassereichen Schwarzen Löchern in nahen Galaxien, die nur einen winzigen Bruchteil der Gesamtmasse ihrer Heimatgalaxie ausmachen, enthält das Schwarze Loch von QSO1 mindestens doppelt so viel Masse wie das ihn umgebende galaktische Material.

Abell 2744, auch bekannt als Pandora-Cluster, wurde in der Zeit von 2013 – 2014 von NASA’s Hubble-Weltraumteleskop im Rahmen des bahnbrechenden Hubble-Frontier-Fields-Programms und anschließend im Rahmen des Programms „Ultradeep NIRSpec and NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization“ (UNCOVER) mit dem Webb-Teleskop detailliert abgebildet.

Little Red Dot Abell 2744-QSO1a (NIRCam Ansicht mit NIRSpec IFU Geschwindigkeitskarte)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Abell 2744-QSO1
• Objektbeschreibung: Gravitativ verstärkter Little Red Dot
• Rektaszension: 00:14:19.16
• Deklination: -30:24:05.66
• Sternbild: Sculptor
• Entfernung: Etwa 13,1 Milliarden Lichtjahre entfernt (z = 7,04)
• Daten
• Instrument: Links: NIRCam, Rechts: NIRSpec/IFU
• Filter: NIRCam>F115W, F150W, F200W, F277W, F356W, F444W           
• Filter: NIRSpec>G395H
• Bild
• Farbinformation: Das linke Bild ist eine Zusammensetzung aus einzelnen Aufnahmen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem Instrument NIRCam aufgenommen wurden. Zur Erfassung bestimmter Wellenlängenbereiche wurden mehrere Filter verwendet. Die Farbdarstellung ergibt sich aus der Zuordnung unterschiedlicher Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F115W+F150W Grün: F200W+F277W Rot: F356W+F444W
• Das rechte Bild ist eine Radialgeschwindigkeitskarte, die mit dem NIRSpec/IFU des James-Webb-Weltraumteleskops erstellt wurde. Die Farbe ergibt sich aus der Anwendung einer Gradientenkarte auf ein monochromatisches Bild, wobei die Farbe der Richtung und die Helligkeit der Geschwindigkeit entspricht.

Über das Bild: Ein Bildausschnitt der NIRCam von NASA’s James-Webb-Weltraumteleskop zeigt „Little Red Dot“ Abell 2744-QSO1, das durch Abell 2744, einen riesigen Galaxien-Megacluster, der auch als Pandora-Cluster bekannt ist, gravitativ verstärkt wird.

Rechts ist eine Karte zu sehen, die die Geschwindigkeit zeigt, mit der sich Gas in verschiedenen Teilen von QSO1 auf das Teleskop zu oder von ihm weg bewegt (Rotationsgeschwindigkeit). Die Karte wurde mit Daten erstellt, die mit der Integralfeld-Einheit (IFU) von NIRSpec, einer Kombination aus Kamera und Spektrograph, gesammelt wurden. Die IFU erfaßt ein Bild zusammen mit 900 Spektren aus einem quadratischen Ausschnitt des Himmels von 3 Bogensekunden mal 3 Bogensekunden und erstellt so Karten, die Helligkeitsunterschiede bei Tausenden von Wellenlängen zwischen 0,6 Mikrometer und 5,3 Mikrometer über das gesamte Objekt hinweg zeigen. Die Gasgeschwindigkeit wird anhand der Dopplerverschiebung berechnet: Die Farben verschieben sich leicht in Richtung kürzerer (blauerer) Wellenlängen, wenn sich das Material auf uns zu bewegt, und in Richtung längerer (rötlicherer) Wellenlängen, wenn es sich von uns entfernt.

Die Webb-Daten zeigen, daß das leuchtende Gas eine Keplersche Rotation aufweist: Es umkreist einen zentralen Punkt auf dieselbe Weise, wie Planeten einen Stern umkreisen. Das bedeutet, daß der größte Teil der Masse von QSO1 an einem einzigen Punkt im Zentrum liegen muß, nämlich einem Schwarzen Loch. Da die Geschwindigkeit des umkreisenden Gases sehr einfachen Gesetzen der Schwerkraft folgt, läßt sich anhand der Daten die Masse des Schwarzen Lochs berechnen: Sie scheint 50 Millionen Sonnenmassen zu betragen, also das 50-Millionenfache der Masse unserer Sonne. Dies entspricht mindestens zwei Dritteln der gesamten Masse von QSO1.

Little Red Dot Abell 2744-QSO1 (NIRCam Kompass-Ansicht)

• Fast Facts
• Objekt
• Objektname(n): Pandora’s Cluster, Abell 2744, Abell 2744-QSO1
• Objektbeschreibung: Galaxiencluster und Gravitationslinse für das Schwarze Loch bei z=7
• Rektaszension: 00:14:18.25
• Deklination: -30:22:46.04
• Sternbild: Sculptor
• Entfernung: Etwa 3,5 Milliarden Lichtjahre bis zum Galaxiencluster und 13,1 Milliarden Lichtjahre bis zu QSO1
• Abmessung: Das Bild hat einen Durchmesser von 4,3 Bogenminuten
• Daten
• Instrument: NIRCam
• Filter: F115W, F150W, F200W, F277W, F356W, F444W
• Bild
• Farbinformation: Diese Bilder sind eine Zusammensetzung aus einzelnen Aufnahmen, die vom James-Webb-Weltraumteleskop mit dem NIRCam-Instrument aufgenommen wurden. Es wurden mehrere Filter verwendet, um bestimmte Wellenlängenbereiche abzubilden. Die Farben ergeben sich aus der Zuordnung unterschiedlicher Farbtöne (Farben) zu jedem monochromatischen (Graustufen-)Bild, das einem einzelnen Filter zugeordnet ist. In diesem Fall sind die zugewiesenen Farben:
• Blau: F115W+F150W Grün: F200W+F277W Rot: F356W+F444W

Über das Bild: Aufnahme von Abell 2744 (Pandora-Haufen) und dem kleinen roten Punkt Abell 2744-QSO1, aufgenommen mit Webb’s NIRCam, mit Kompasspfeilen, Maßstab und Farblegende zur Orientierung.

Die Kompasspfeile nach Norden und Osten zeigen die Ausrichtung des Bildes am Himmel an. Beachten Sie, daß das Verhältnis zwischen Norden und Osten am Himmel (von unten gesehen) im Vergleich zu den Richtungspfeilen auf einer Karte der Erde (von oben gesehen) umgekehrt ist.

Der Maßstab ist in Bogensekunden angegeben, einer Maßeinheit für den Winkelabstand am Himmel. Zur Orientierung: 1 Bogenminute sind 60 Bogensekunden und 1 Winkelgrad sind 60 Bogenminuten. Der gesamte Himmel, der die ganze Erde umgibt, umfaßt 360 Winkelgrade. Der Vollmond hat einen Winkeldurchmesser von etwa 30 Bogenminuten (0,5 Winkelgrade).

Diese Ansicht zeigt unsichtbare Lichtwellen im nahen Infrarotbereich, die in Farben des sichtbaren Lichts umgewandelt wurden. Die Farblegende gibt an, welche NIRCam-Filter bei der Aufnahme des Lichts verwendet wurden. Die Farbe des jeweiligen Filternamens entspricht der Farbe des sichtbaren Lichts, mit der das durch diesen Filter hindurchtretende Infrarotlicht dargestellt wird.

Little Red DotAbell 2744-QSO1: Vertonung der Gasgeschwindigkeit um ein supermassereiches Schwarzes Loch (NIRCam und NIRSpec IFU)

• Vertonung: NASA, ESA, CSA, STScI, Christopher Britt (STScI), Ralf Crawford (STScI), Alyssa Pagan (STScI), Margaret Carruthers (STScI)
• Wissenschaft: Ignas Juodžbalis (Cambridge), Cosimo Marconcini (University of Florence), Roberto Maiolino (Cambridge), Francesco D’Eugenio (Cambridge), Hannah Übler (MPE)

Auf Grund der Größe wird auf die Originalseite der Videoveröffentlichung verwiesen. Dort ist das Video abrufbar.

Eine Vertonung ist die Umsetzung von Daten in Klang. In dieser Vertonung wird die Geschwindigkeit von Wasserstoffgas, das sich um ein Schwarzes Loch im Zentrum eines als Abell 2744-QSO1 (QSO1) bekannten „Little Red Dot“ bewegt, in Töne unterschiedlicher Tonhöhe (oder Frequenz) umgesetzt. Je schneller sich das Gas auf das Teleskop zu bewegt, desto höher ist die Tonhöhe. Je schneller es sich vom Teleskop wegbewegt, desto tiefer ist die Tonhöhe.

Beachten Sie, daß die Geschwindigkeit des Gases dort am höchsten ist, wo es dem Schwarzen Loch am nächsten ist. Dies ist charakteristisch für Objekte, die eine zentrale Masse umkreisen (wie Planeten, die die Sonne umkreisen): Je näher sie sind, desto schneller bewegen sie sich.

Beachten Sie auch, wie die Bewegung des Gases plötzlich die Richtung zu ändern scheint: Die Tonhöhe ändert sich abrupt von hoch nach tief. Dies geschieht, weil das Gas das Schwarze Loch umkreist: Auf der linken Seite des Schwarzen Lochs bewegt sich das Gas auf uns zu. Auf der rechten Seite hat es eine Umdrehung vollführt und entfernt sich von uns.

Den Forschern gelang es, anhand des einfachen Zusammenhangs zwischen Geschwindigkeit und Entfernung die Masse des Schwarzen Lochs direkt zu messen. Dies war die erste direkte Messung der Masse eines Schwarzen Lochs aus den ersten Milliarden Jahren des Universums.

Die Geschwindigkeitsmessungen wurden anhand von Daten durchgeführt, die mit der NIRSpec Integral-Field-Unit (IFU) des James-Webb-Weltraumteleskops der NASA gesammelt wurden.