Den fjerneste kvasar, der er opdaget, kaster lys over, hvordan sorte huller vokser

Et hold af astronomer ledet af University of Arizona har observeret en lysende kvasar 13,03 milliarder lysår fra Jorden - den fjerneste kvasar, der er opdaget til dato. Går tilbage til 670 millioner år efter Big Bang, da universet kun var 5% af sin nuværende alder, kvasaren er vært for et supermassivt sort hul svarende til den samlede masse af 1,6 milliarder sole.

Ud over at være den fjerneste – og i forlængelse heraf, tidligst kendt kvasar, objektet er det første af sin slags, der viser tegn på en udstrømmende vind af overophedet gas, der undslipper fra omgivelserne i det sorte hul med en femtedel af lysets hastighed. Ud over at afsløre en stærk kvasar-drevet vind, de nye observationer viser også intens stjernedannelsesaktivitet i værtsgalaksen, hvor kvasaren, formelt betegnet J0313-1806, er placeret.

Forskerne vil præsentere deres resultater, som er godkendt til offentliggørelse i Astrofysiske tidsskriftsbreve , under en pressekonference og en videnskabelig tale ved det 237. møde i American Astronomical Society, som afholdes stort set 11.-15. januar.

Den tidligere rekordholder blandt kvasarer i spædbarnsuniverset blev opdaget for tre år siden. UArizona-holdet bidrog også til denne opdagelse. Kvasarer menes at være resultatet af supermassive sorte huller, der opsluger omgivende stof, gas eller endda hele stjerner, resulterer i en malstrøm af overophedet stof kendt som en tilvækstskive, der hvirvler rundt om det sorte hul. På grund af de enorme energier, der er involveret, kvasarer er blandt de lyseste kilder i kosmos, ofte overstråler deres værtsgalakser.

Selvom J0313-1806 kun er 20 millioner lysår længere væk end den tidligere rekordholder, den nye kvasar indeholder et supermassivt sort hul dobbelt så tungt. Dette markerer et betydeligt fremskridt for kosmologi, da det giver den hidtil stærkeste begrænsning for dannelsen af ​​sorte huller i det tidlige univers.

"Dette er det tidligste bevis på, hvordan et supermassivt sort hul påvirker sin værtsgalakse omkring det, " sagde avisens hovedforfatter Feige Wang, en Hubble Fellow ved UArizonas Steward Observatory. "Fra observationer af mindre fjerne galakser, vi ved, at dette skal ske, men vi har aldrig set det ske så tidligt i universet."

Kvasarer, der allerede har samlet millioner, hvis ikke milliarder, af solmasser i deres sorte huller på et tidspunkt, hvor universet var meget ungt, udgør en udfordring for videnskabsmænd, der forsøger at forklare, hvordan de opstod, når de knap havde tid til det. En almindeligt accepteret forklaring på dannelse af sorte hul involverer en stjerne, der eksploderer op som en supernova i slutningen af ​​sin levetid og kollapser til et sort hul. Når sådanne sorte huller smelter sammen over tid, de kan – teoretisk set – vokse til supermassive sorte huller. Imidlertid, ligesom det ville kræve mange liv at bygge en pensionsfond ved at indskyde en dollar hvert år, kvasarer i det tidlige univers er lidt ligesom småbørnsmillionærer; de skal have erhvervet deres masse på anden vis.

Den nyopdagede kvasar giver et nyt benchmark ved at udelukke to nuværende modeller af, hvordan supermassive sorte huller dannes på så korte tidsskalaer. I den første model, massive stjerner, der stort set består af brint og mangler de fleste andre grundstoffer, der udgør senere stjerner, herunder metaller, danner den første generation af stjerner i en ung galakse og giver føden til det spirende sorte hul. Den anden model involverer tætte stjernehobe, som kollapser i et massivt sort hul lige fra starten.

Quasar J0313-1806, imidlertid, kan prale af et sort hul, der er for massivt til at kunne forklares med de førnævnte scenarier, ifølge holdet, der opdagede det. Holdet beregnede, at hvis det sorte hul i dets centrum blev dannet så tidligt som 100 millioner år efter Big Bang og voksede så hurtigt som muligt, den skulle stadig have mindst 10, 000 solmasser til at begynde med.

"Dette fortæller dig, at uanset hvad du gør, frøet til dette sorte hul må være dannet af en anden mekanisme, " sagde medforfatter Xiaohui Fan, Regents Professor og associeret leder af UArizona Department of Astronomy. "I dette tilfælde, en, der involverer enorme mængder af ur, kold brintgas, der direkte kollapser i et frø sort hul."

Fordi denne mekanisme ikke kræver fuldgyldige stjerner som råmateriale, det er den eneste, der ville tillade det supermassive sorte hul i kvasaren J0313-1806 at vokse til 1,6 milliarder solmasser på et så tidligt tidspunkt i universet. Det er det, der gør den nye rekordkvasar så værdifuld, Fan forklarede.

"Når du går til lavere rødforskydninger, alle modellerne kunne forklare eksistensen af ​​disse mindre fjerne og mindre massive kvasarer, " sagde han. "For at det sorte hul skal være vokset til den størrelse, vi ser med J0313-1806, det skulle have startet med et frø sort hul på mindst 10, 000 solmasser, og det ville kun være muligt i scenariet med direkte kollaps."

Den nyopdagede kvasar ser ud til at give et sjældent indblik i en galakses liv ved universets daggry, da mange af de galakseformende processer, der siden er blevet langsommere eller ophørt i galakser, der har eksisteret meget længere, stadig var i fuld gang .

Ifølge nuværende modeller af galakseudvikling, supermassive sorte huller, der vokser i deres centre, kan være hovedårsagen til, at galakser i sidste ende holder op med at skabe nye stjerner. Opfører sig som en blæselampe af kosmiske proportioner, kvasarer sprænger deres omgivelser voldsomt, effektivt fejer deres værtsgalakse ren for meget af den kolde gas, der fungerer som det råmateriale, hvorfra stjerner dannes.

"Vi tror, ​​at de supermassive sorte huller var årsagen til, at mange af de store galakser holdt op med at danne stjerner på et tidspunkt, " sagde Fan. "Vi observerer denne 'slukning' ved lavere rødforskydninger, men indtil nu, vi vidste ikke, hvor tidligt denne proces begyndte i universets historie. Denne kvasar er det tidligste bevis på, at slukning kan have fundet sted på meget tidlige tidspunkter."

Ved at måle kvasarens lysstyrke, Wangs team beregnede, at det supermassive sorte hul i dets centrum indtager massen svarende til 25 sole hvert år, gennemsnitlig, hvilket menes at være hovedårsagen til, at dens højhastigheds varme plasmavind blæser ind i galaksen omkring den med relativistisk hastighed. Til sammenligning, det sorte hul i midten af ​​Mælkevejen er blevet for det meste i dvale.

Og mens Mælkevejen danner stjerner i et roligt tempo på omkring en solmasse hvert år, J0313-1806 udskiller 200 solmasser i samme tidsrum.

"Dette er en relativt høj stjernedannelsesrate, svarende til det, der er observeret i andre kvasarer af lignende alder, og det fortæller os, at værtsgalaksen vokser meget hurtigt, " sagde Wang.

"Disse kvasarer er formentlig stadig i gang med at bygge deres supermassive sorte huller," tilføjede Fan. "Over tid, kvasarens udstrømning opvarmer og skubber al gas ud af galaksen, og så har det sorte hul intet tilbage at spise mere og vil holde op med at vokse. Dette er bevis på, hvordan disse tidligste massive galakser og deres kvasarer vokser."

Forskerne forventer at finde nogle flere kvasarer fra samme tidsperiode, herunder potentielle nye rekordbrydere, sagde Jinyi Yang, rapportens anden forfatter, som er Peter A. Strittmatter Fellow ved Steward Observatory. Yang og Fan observerede ved det 6,5 meter store Magellan Baade-teleskop ved Las Campanas-observatoriet i Chile den nat, hvor J0313-1806 blev opdaget.

"Vores kvasarundersøgelse dækker et meget bredt felt, giver os mulighed for at scanne næsten halvdelen af ​​himlen, " sagde Yang. "Vi har udvalgt flere kandidater, som vi vil følge op med mere detaljerede observationer."

Forskerne håber at kunne afsløre mere om kvasarens hemmeligheder med fremtidige observationer, især med NASAs James Webb-rumteleskop, i øjeblikket planlagt til lancering i 2021.

"Med jordbaserede teleskoper, vi kan kun se en punktkilde, " sagde Wang. "Fremtidige observationer kunne gøre det muligt at løse kvasaren mere detaljeret, vis strukturen af ​​dens udstrømning og hvor langt vinden strækker sig ind i dens galakse, og det ville give os en meget bedre idé om dens evolutionære fase."