Entdeckung schwacher aktiver galaktischer Kerne im frühen Universum

In den letzten Studien ging's darum, schwache aktive galaktische Kerne (AGN) im frühen Universum zu finden. AGN sind Supermassive Schwarze Löcher, die im Zentrum von Galaxien sitzen und aktiv Material anziehen. Das sorgt für helle Emissionen, die wir aus grosser Entfernung wahrnehmen können. Die Suche nach diesen AGNs hilft Wissenschaftlern, mehr über die frühen Phasen des Universums und das Wachstum von Galaxien zu lernen. Das Hubble-Weltraumteleskop (HST) war dabei besonders wichtig, vor allem im Hubble Ultra Deep Field (HUDF).

#Beobachtungen und Ziele

Das Hauptziel unserer Beobachtungen war es, schwache AGNs in grossen Distanzen im Universum, auch als hohe Rotverschiebungen bekannt, zu identifizieren. Wir wollten diese schwarzen Löcher anhand der Helligkeitsänderungen über die Zeit finden. Durch die Analyse dieser Variationen hoffen wir, zu verstehen, wie viele supermassive schwarze Löcher im frühen Universum existierten.

Wir haben eine tiefgehende Nah-Infrarot-Studie mit HST durchgeführt und Bilder vom HUDF gemacht, etwa 10 bis 15 Jahre nach den ersten Bildern. Diese lange Zeitspanne erlaubt es uns, Helligkeitsänderungen zu sehen, was auf die Präsenz von variablen Quellen hinweist, die AGNs oder Supernovae (explodierende Sterne) sein könnten.

#Vorläufige Ergebnisse

Wir haben mit acht spezifischen Objekten in unserer Umfrage begonnen. Davon haben wir drei als wahrscheinlich Supernovae identifiziert. Zwei der übrigen Objekte schienen aufgrund ihrer Formen und Spektren AGN-Kandidaten mit hoher Rotverschiebung zu sein. Zusätzlich fanden wir drei weitere variable Quellen, die ebenfalls AGN-Kandidaten sein könnten.

Das ist wichtig, weil es eine erste Schätzung liefert, wie viele supermassive schwarze Löcher in den frühen Phasen des Universums existiert haben. Nachdem wir die Faktoren, die Sichtbarkeit und Helligkeit beeinflussen, in Betracht gezogen haben, glauben wir, dass die Anzahl der supermassiven schwarzen Löcher grösser war als bisher gedacht.

#Warum nach AGNs suchen?

Die Suche nach AGNs ist aus mehreren Gründen wichtig. Jeder AGN bedeutet, dass mindestens ein supermassives schwarzes Loch identifiziert wurde. Das gibt uns eine untere Grenze, wie viele dieser schwarzen Löcher im frühen Universum existiert haben. Ihr Verständnis kann uns helfen, verschiedene Theorien über die Entstehung von supermassiven schwarzen Löchern zu testen. Ausserdem kann ihre Präsenz als Input für Modelle verwendet werden, die simulating, wie Galaxien sich entwickeln.

Einige Theorien besagen, dass während der Reionisations-Epoche, als das Universum signifikante Veränderungen durchlief, eine massive Anzahl von AGNs existierte. Neueste Beobachtungen haben auf eine unerwartet hohe Anzahl kompakter Objekte hingewiesen, die AGNs enthalten könnten. Diese AGNs könnten eine essentielle Rolle im Reionisationsprozess gespielt haben und das Wachstum und die Entwicklung des Universums beeinflusst haben.

#Die Herausforderung

Die Identifizierung von AGNs kann aufgrund ihrer Schwäche herausfordernd sein. Sie weisen oft Helligkeiten auf, die sie unter typischen Galaxien einsortieren, was die Detektion erschwert. Darüber hinaus gibt es viele Möglichkeiten, AGNs zu erkennen, einschliesslich ihrer Röntgenemissionen, charakteristischen spektralen Linien und mid-infraroten Farben. Aber je höher wir in den Rotverschiebungen untersuchen, desto schwieriger wird es, diese Merkmale zu identifizieren.

Das führt oft zu einer Unterzählung der supermassiven schwarzen Löcher, weil viele unter den sternbildenden Galaxien verborgen bleiben könnten. Um dem entgegenzuwirken, müssen mehrere Methoden verwendet werden, um die AGN-Häufigkeit genau zu erkunden.

#Verwendung photometrischer Variabilität

Eine effektive Strategie zur Auffindung von AGNs ist es, ihre photometrische Variabilität – also die Helligkeitsänderungen über die Zeit – zu überwachen. Durch die Beobachtung dieser Variationen können wir AGNs direkt durch ihre Helligkeitsänderungen identifizieren, anstatt uns auf andere Methoden zu verlassen, die einige schwache Quellen möglicherweise übersehen.

Die Überwachung der Variabilität in über die Zeit gesammelten Bildern wurde erfolgreich in Umfragen bei intermediären Rotverschiebungen eingesetzt, aber für höhere Rotverschiebungen sind infrarote Beobachtungen erforderlich. Das HST ermöglicht dies, da es seit 2009 Bilder vom HUDF aufnimmt. Wir haben diese vorhandenen Daten genutzt und das Feld 2023 erneut abgebildet, um variable Quellen zu finden.

#Datensammlung

Um die Sensitivität für high-Redshift AGNs zu maximieren, haben wir uns auf das HUDF konzentriert, ein Gebiet, das für eine hohe Dichte an fernen Galaxien bekannt ist. Das Feld wurde mehrfach in sowohl optischen als auch nah-infraroten Wellenlängen beobachtet. Unser Ansatz beinhaltete die Reduzierung und Analyse dieser Bilder aus verschiedenen Epochen, um Quellen zu finden, die sich in der Helligkeit verändert haben.

Konkret haben wir Bilder aus 2009, 2012 und 2023 verwendet. Wir haben die Bilder aus den verschiedenen Jahren verglichen, um Quellen zu identifizieren, die sich signifikant verändert haben.

#Analyse variabler Quellen

Aus unserer Analyse haben wir mehrere variable Quellen mit Aufhellungs- oder Abdunkelungstrends im Laufe der Zeit identifiziert. Wir haben spezifische Techniken verwendet, um diese Variationen zu quantifizieren und Quellen auszuschliessen, die nicht zu den erwarteten Mustern passten.

Von den Quellen, die wir beobachtet haben, fanden wir 71 mit signifikanten Helligkeitsänderungen über die Zeit. Die meisten davon konzentrieren sich auf niedrigere Rotverschiebungen, aber wir konnten drei variable Quellen mit Rotverschiebungen über 6 identifizieren, die besonders spannend sind, weil sie AGNs aus einer sehr frühen Phase des Universums anzeigen.

#Fallstudien variabler AGNs

Unter den variablen Quellen, die wir identifiziert haben, waren zwei bestätigte AGNs mit Rotverschiebungen von 1.887 und 3.1905. Diese Quellen zeigten charakteristische spektrale Merkmale, die ihre AGN-Natur bestätigten.

1. Objekt 1051264 - Gefunden im Zentrum einer Scheibengalaxie, zeigte dieses AGN einen klaren Helligkeitsrückgang zwischen 2009 und 2012. Obwohl die Variation gering erscheint, deutet ihr konsistenter punkte-ähnlicher Auftritt darauf hin, dass es sich tatsächlich um ein AGN handelt.

2. Objekt 1052126 - Dieses Objekt ist ein starker Emitter mit hochionisierten spektralen Linien, die seine AGN-Natur bestätigen. Es zeigte Helligkeitsvariationen, die auf signifikante Aktivität hinweisen.

#Supernova-Kandidaten

Neben möglichen AGNs haben wir mehrere Kandidaten für Supernovae identifiziert, die wichtig sind, um explosive stellare Ereignisse im Universum zu verstehen.

1. Objekt 1402129 - Diese Quelle, die sich nahe dem Rand einer Galaxie befindet, scheint kürzlich explodiert zu sein und wird als Supernova-Kandidat eingestuft.

2. Objekt 1402146 - Dieses transientere Ereignis war in unseren Bildern sichtbar, und während es keine klare Wirtsgalaxie hat, ist es wahrscheinlich ein bedeutendes astronomisches Ereignis, das zwischen den Beobachtungen stattgefunden hat.

3. Objekt 1051237 - Dieses Objekt, ein weiterer Supernova-Kandidat, zeigte Anzeichen des Verblassens, was mit dem Verhalten von Supernovae übereinstimmt.

#Blick auf das sehr frühe Universum

Unsere Forschung hat auch einige Quellen mit Rotverschiebungen über 6 entdeckt, die sie in die Reionisationsära einordnen würden. Diese frühe Phase in der kosmischen Geschichte ist, als das Universum in einen Zustand überging, in dem Sterne und Galaxien häufiger wurden und die Strahlung dieser Objekte begann, das umgebende Gas zu ionisieren.

1. Objekt 1052123 - Diese hochsignifikante variable Quelle erlebte über die Jahre Helligkeitsänderungen und ist mit einer photometrischen Rotverschiebung zugeordnet, was darauf hindeutet, dass es sich wahrscheinlich um ein AGN handelt.

2. Objekt 1052156 - Dieses Objekt zeigte in früheren Epochen variable Helligkeit, aber nicht in späteren, was interessante Merkmale anzeigt, die weitere Untersuchungen rechtfertigen.

3. Objekt 101159 - Eine signifikante Variable, die nur in späteren Abbildungen entdeckt wurde, deutet auf die Präsenz einer möglicherweise hochtverschobenen Quelle hin.

#Zusammenfassung und zukünftige Richtungen

Insgesamt deuten unsere Ergebnisse auf eine höhere Dichte von supermassiven schwarzen Löchern im frühen Universum hin, als bisher geschätzt. Die Variabilitätsmethode zur Suche nach AGN fügt unseren Untersuchungsbemühungen ein effizientes und effektives Werkzeug hinzu.

Um auf dieser Studie aufzubauen, sind grössere Proben von AGNs bei hohen Rotverschiebungen nötig, um die Genauigkeit unserer Messungen zu verbessern. Zukünftige Arbeiten werden die Möglichkeiten des James-Webb-Weltraumteleskops (JWST) nutzen, um tiefere Beobachtungen von Quellen mit hoher Rotverschiebung durchzuführen.

Mit fortlaufenden Beobachtungen und Analysen hoffen wir, unser Verständnis von der Entstehung supermassiver schwarzer Löcher und der Rolle, die sie bei der Gestaltung des Kosmos gespielt haben, zu verfeinern. Erkenntnisse aus diesen Studien werden weiterhin unsere Modelle zur Entwicklung von Galaxien und zur Entwicklung des Universums im Laufe der Zeit informieren.