„Wir haben es mit einem neuen Phänomen zu tun“

Welt der Physik: Herr Schindler, was sind „Little Red Dots“?

Jan-Torge Schindler

Jan-Torge Schindler: Die deutsche Übersetzung sagt es bereits ganz gut: kleine, rote Punkte. Genau so sehen sie auf den Aufnahmen des James-Webb-Weltraumteleskops, aus, auf denen man sie vor einigen Jahren zum ersten Mal gesehen hat. Um es etwas technischer zu formulieren: Little Red Dots sind Objekte, die das Teleskop räumlich nicht aufzulösen vermag, die also tatsächlich völlig punktförmig erscheinen. Das ist das Eine. Zum anderen liegt ihre Strahlung in einem so langwelligen Bereich, dass sie das menschliche Auge gar nicht sehen könnte. Je langwelliger, also „röter“, die verwendeten Filter des Teleskops sind, desto heller sind die Little Red Dots.

Weiß man denn schon etwas mehr über die Little Red Dots?

Einer der Vorteile des James-Webb-Weltraumteleskops ist, dass es im Nahinfrarot – also in genau dem Wellenlängenbereich, in den die rotverschobene Strahlung von Galaxien im frühen Universum fällt – viel empfindlicher ist. Auch kann es bessere Spektren, also das von Himmelsobjekten abgegebene Licht, aufnehmen. Natürlich haben wir gleich nachdem die ersten Little Red Dots gefunden wurden, solche Spektren von ihnen genommen und festgestellt, dass die ganz anders aussehen als etwa die Spektren früher Galaxien, die sich in ähnlicher Entfernung befinden.

Was lässt sich mithilfe der gemessenen Spektren noch über die Objekte herausfinden?

Das gemessene Spektrum eines astronomischen Objekts beschreibt, wie hoch die Intensität ihrer ausgesendeten Strahlung abhängig von der Wellenlänge ist. Das Spektrum einer Galaxie besteht zum Beispiel hauptsächlich aus einem schwachen Kontinuum, in dem praktisch alle Lichtwellenlängen vorkommen. Das bedeutet, dass die Galaxie aus Sternen besteht, die auch alle solche kontinuierlichen Spektren haben. Dann findet man aber auch gewisse, schmale Emissionslinien in diesem Kontinuum, die vom leuchtenden Gas stammen. Die genauen Wellenlängen dieser Linien zeigen uns an, welche Gase in den Galaxien vorkommen und wie sich die Gaswolken in den Galaxien bewegen, wo Sterne und solche Dinge entstehen. Da sich das Universum aber ausdehnt, sind die Spektren und eben auch diese Linien rotverschoben. Durch die Expansion haben sie also längere Wellenlängen, als die gleichen Emissionslinien hier auf der Erde hätten. Mithilfe der Rotverschiebung können wir dann auch die Entfernung der Galaxien bestimmen. Kurzum: Spektren sind der Fingerabdruck, der uns die Identität der Galaxie verrät.

Und der Fingerabdruck der Little Red Dots ist anders als von Himmelsobjekten, die Sie bereits kennen?

Ja, die Emissionslinien in Little Red Dots sind auffällig stark verbreitert. Das ist ein sehr klares Signal dafür, dass dort ein enorm massereiches schwarzes Loch im Zentrum verborgen sein muss.

Das müssen Sie genauer erklären.

Little Red Dots

Hinter den stark verbreiterten Emissionslinien steckt der Dopplereffekt, also die Tatsache, dass sich die gemessenen Spektrallinien von bewegten Gaswolken verschieben: Eine Wolke, die sich von uns entfernt, hat ins Rote verschobene Linien und eine sich auf uns zu bewegende Wolke ins Blaue. Wenn Gas nun sehr schnell um ein kompaktes Objekt wirbelt, hat man sehr viele rot- und blauverschobene Linien, die sich überlagern. Das Ergebnis sind verbreiterte Spektrallinien. Nun kann man fragen, was das für ein Objekt ist, um das sich das Gas dreht. Und wenn man das modelliert, stellt man fest, dass das nur ein Schwarzes Loch sein kann!

Wir reden hier von Schwarzen Löchern, die man auch in den Zentren von Galaxien findet?

Ja, gemeint sind supermassereiche Schwarze Löcher mit Millionen bis Milliarden von Sonnenmassen. Nur die haben die nötige Gravitation, um das Gas so schnell wirbeln zu lassen. Solche Schwarzen Löcher kennt man schon lange, sie sitzen praktisch im Zentrum jeder großen Galaxie.

Das heißt, Little Red Dots sind sehr weit entfernte, massereiche Schwarze Löcher, die von Gaswolken umgeben sind – aber ohne Galaxien darum herum?

Wenn das doch so klar wäre! Im Sommer 2023, kurz nachdem die Little Red Dots zum ersten Mal entdeckt wurden, folgten viele Studien Schlag auf Schlag. Auf den ersten Blick sehen sie aus wie eine Wolke aus schnell rotierendem Gas, das um ein Schwarzes Loch kreist – ganz ähnlich wie in einem aktiven Galaxienkern, wo man auch diese verbreiterten Linien sieht. Doch man bemerkte, dass sich die Spektren der Little Red Dots von denen anderer Schwarzen Löcher – wie eben in aktiven Galaxienkernen – unterscheiden. Denn bei Little Red Dots wurde auch ein blaues Kontinuum gemessen.

Was sind aktive Galaxienkerne?

Das James-Webb-Weltraumteleskop

Das sind Schwarze Löcher, die im Zentrum von Galaxien sitzen und „gefüttert“ werden, in die also Gas hineinfällt. Das Gas heizt sich dabei stark auf und beginnt zu leuchten. Aber Little Red Dots und aktive Galaxienkerne unterscheidet noch etwas anderes: Aktive Galaxienkerne emittieren normalerweise Röntgenstrahlung. Aber bei Little Red Dots konnte man bisher keine solche Röntgenemission nachweisen. Das Gleiche gilt für Radiostrahlung – auch die ist quasi nicht zu finden. Das stellt die Astronomie vor ein Rätsel: Wir haben Objekte, die auf den ersten Blick ähnlich aussehen wie aktive Galaxienkerne. Aber alle anderen Indizien, die auf einen aktiven Galaxienkern hindeuten, scheinen dagegen zu sprechen.

Was sind Little Red Dots also dann?

Wir wissen es nicht! Sicher ist aber, dass sie keineswegs selten und exotisch sind. Im Vergleich zu normalen aktiven Galaxien, die wir auch mit dem JWST beobachten, kommen sie beinahe gleich häufig vor. Wir haben es also mit einem neuen, im frühen Universum weit verbreiteten Phänomen zu tun, das wir bislang überhaupt nicht kannten!

Wie versuchen Sie das Rätsel zu lösen?

Wir müssen Beobachtungen von bekannten Little Red Dots sammeln und nach weiteren Exemplaren suchen. Dann zeigen sich vielleicht Muster, die uns mehr über die Natur dieser Objekte verraten. Ein Muster sieht man schon: Die meisten Little Red Dots finden wir in den ersten zwei Milliarden Jahren der Entwicklung des Universums. Heute sind wir ungefähr 13,7 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Was fasziniert Sie an Little Red Dots und dem frühen Universum besonders?

Das frühe Universum ist einer der großen, weißen Flecken auf der Landkarte des Wissens. Vieles an ihm ist längst nicht ausreichend verstanden. Wir wissen zum Beispiel noch überhaupt nicht, wie Schwarze Löcher in so kurzer Zeit nach dem Urknall auf Milliarden Sonnenmassen anwachsen konnten oder welchen Einfluss sie auf ihre Galaxien haben. Vielleicht liefern uns die Little Red Dots einen Schlüssel. Meine Aufgabe als beobachtender Astrophysiker sehe ich darin, Objekte wie Little Red Dots zu finden und zu charakterisieren. Je besser uns das gelingt, desto eher können wir Theorien zu ihrer Erklärung eingrenzen. Und desto besser werden wir verstehen, was im frühen Universum vor sich ging.