Entstehung und frühe Entwicklung supermassereicher schwarzer Löcher in den ersten zwei Milliarden Jahren unseres Universums

• Antragsteller: Dr. Jan-Torge Schindler
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518006966

Supermassereiche schwarze Löcher wachsen vorwiegend durch Akkretion von Gas und setzen dabei um die 10 % der akkretierten Masse in Strahlung um. In diesen Wachstumsphasen können wir sie als helle Quasare beobachten und so das Schwarzlochwachstum aktiv bis ins frühe Universum zurückverfolgen. Die frühesten supermassereichen schwarzen Löcher bei Rotverschiebung z~7.5 stellen uns jedoch vor ein Rätsel. Nach dem Standardmodell der Akkretion brauchen sie länger als das Alter des Universums zu dieser Zeit um von den Überresten der ersten Sterne bis zu den Milliarden Sonnenmassen schweren Objekte zu wachsen, die wir beobachten. Um dieses Rätsel zu lösen ist es unabdingbar die Populationen der schwarzen Löcher ins frühe Universum zurück zu verfolgen. Die ESA/Euclid Mission wird die Entdeckung neuer Quasare im frühen Universum revolutionieren. Mit Euclid lassen sich mehr als 100 neue Quasare bei z>7 entdecken und damit deren Anzahl mehr als zu verzehnfachen. Zurzeit beobachten wir mehr allerdings als 100 Kandidaten um nur 1 Quasar bei z>7 zu finden. Diese Quote ist für die Entdeckung von den lichtschwächeren Euclid-Kandidaten unakzeptabel. Aufbauend auf seiner Erfahrung von Quasarsuchen mithilfe Methoden maschinellen Lernens, wird der PI in diesem Programm effizientere Strategien entwickeln um eine statistisch relevante Anzahl an z>7 Quasaren zu entdecken. Er und seine Gruppe werden die Demografie der frühen Quasare und schwarzen Löcher charakterisieren und sie in Bezug auf spätere Generationen vergleichen. Spektroskopische Nachbeobachtungen mit dem James Webb Space Telescope erlauben dabei einen detaillierten Einblick in ihre Eigenschaften (z. B. Schwarzlochmasse). Allerdings prognostiziert das vereinheitlichte Modell der aktiven schwarzen Löcher, dass aufgrund von Gas und Staub nur ein Teil der Quasare direkt sichtbar ist (Typ-1). Der andere Anteil ist bei ultravioletten und optischen Wellenlängen stark abgedunkelt (Typ-2). Für ein vollumfängliches Verständnis des kosmischen Schwarzlochwachstums ist es jedoch entscheidend diese Population mit einzubeziehen. Vorangehende Studien konnten bereits eine große Anzahl dieser Typ-2 Objekte identifizieren. Die meisten davon liegen jedoch bei z<2 und sind deutlich lichtschwächer als gewöhnliche Typ-1 Quasare. Das Fehlen von Typ-2 Quasaren bei z>2 mit spektroskopischer Identifikation ist damit ein großes ungelöstes Problem. Neue Himmelsdurchmusterungen bei infraroten Wellenlängen (z. B. VHS, WISE, Euclid) und die hohe Empfindlichkeit moderner Spektrografen eröffnen Möglichkeiten für eine neuartige Suche nach Typ-2 Quasaren bei z>2. Im zweiten Teil dieses Programmes wird der PI eine solche Suche durchführen um die Population der Typ-2 Quasars zum ersten Mal bei z>2 zu vermessen. Die folgende demografische Analyse bildet einen weiteren zentralen Puzzlestein um die Entwicklung supermassereiche schwarzer Löcher in den ersten zwei Milliarden Jahren des Universums in ihrer Gesamtheit zu entschlüsseln.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Dänemark, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Xiaohui Fan, Ph.D.; Professor Joseph Hennawi, Ph.D.; Professorin Marianne Vestergaard, Ph.D.