Forskere rækker tilbage i tiden for at opdage nogle af de mest kraftfulde galakser

Da universet var ungt, et supermassivt sort hul – oppustet til bristepunktet med en forbløffende kraft – løftede en stråle af partikelinfunderet energi ud, der løb gennem rummets vidder med næsten lysets hastighed.

Milliarder af år senere, en trio af Clemson University videnskabsmænd, ledet af College of Science astrofysiker Marco Ajello, har identificeret dette sorte hul og fire andre, der ligner det, der varierer i alder fra 1,4 milliarder til 1,9 milliarder år gamle. Disse genstande udsender rigelige gammastråler, lys af højeste energi, der er milliarder af gange mere energisk end lys, der er synligt for det menneskelige øje.

De tidligere kendte tidligste gammastråleblazarer - en type galakse, hvis intense emission er drevet af ekstremt kraftige relativistiske jetfly opsendt af monstrøse sorte huller - var mere end 2 milliarder år gamle. I øjeblikket, universet anslås at være cirka 14 milliarder år gammelt.

"Opdagelsen af ​​disse supermassive sorte huller, som affyrer jetfly, der udsender mere energi på et sekund, end vores sol vil producere i hele sin levetid, var kulminationen på et årelangt forskningsprojekt, " sagde Ajello, som har brugt meget af sin karriere på at studere evolutionen af ​​fjerne galakser. "Vores næste skridt er at øge vores forståelse af de mekanismer, der er involveret i dannelsen, udvikling og aktiviteter af disse fantastiske objekter, som er de kraftigste acceleratorer i universet. Vi kan ikke engang komme i nærheden af ​​at replikere så massive output af energi i vores laboratorier. Den kompleksitet, vi forsøger at optrevle, virker næsten lige så mystisk som selve de sorte huller."

Ajello udførte sin forskning i samarbejde med Clemson post-doc Vaidehi Paliya og ph.d.-kandidat Lea Marcotulli. Trioen arbejdede tæt sammen med Fermi-Large Area Telescope-samarbejdet, som er et internationalt hold af videnskabsmænd, der inkluderer Roopesh Ojha, en astronom ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland; og Dario Gasparrini fra den italienske rumfartsorganisation. Deres videnskabelige artikel med titlen "Gamma-Ray Blazars Within the First 2 Billion Years" blev offentliggjort mandag i et tidsskrift kaldet Astrofysiske tidsskriftsbreve . (Ackermann, M., et al. 2017, ApJL , 837, L5.)

Clemson-holdets gennembrud blev muliggjort af nyligt udviklet software på NASAs Fermi Gamma-ray Telescope. Den renoverede software øgede markant det kredsende teleskops følsomhed til et niveau, der gjorde disse seneste opdagelser mulige.

"Folk kalder det historiens billigste renovering, " sagde Ajello. "Normalt, til Hubble-rumteleskopet, NASA var nødt til at sende nogen op i rummet for fysisk at lave den slags forbedringer. Men i dette tilfælde, de var i stand til at gøre det på afstand fra et jordbundet sted. Og lige så vigtig, forbedringerne havde tilbagevirkende kraft, hvilket betød, at de foregående seks års data også blev fuldstændig genbehandlet. Dette hjalp med at give os den information, vi havde brug for for at fuldføre det første trin af vores forskning og også for at stræbe videre i læringsprocessen."

Ved at bruge Fermi-data, Ajello og Paliya begyndte med et katalog på 1,4 millioner kvasarer, som er galakser, der i deres centre rummer aktive supermassive sorte huller. I løbet af et år, de indsnævrede deres søgning til 1, 100 genstande. Af disse, fem blev endelig fast besluttet på at være nyopdagede gamma-stråleblazarer, der var de længst væk - og yngste - nogensinde identificeret.

"Efter at have brugt vores filtre og andre enheder, vi stod tilbage med omkring 1, 100 kilder. Og så lavede vi diagnostikken for alle disse og var i stand til at indsnævre dem til 25 til 30 kilder, " sagde Paliya. "Men vi skulle stadig bekræfte, at det, vi havde opdaget, var videnskabeligt autentisk. Så vi udførte en række andre simuleringer og var i stand til at udlede egenskaber som sort hulmasse og jetkraft. Ultimativt, vi bekræftede, at disse fem kilder med garanti var gamma-stråle blazarer, hvor den længste er omkring 1,4 milliarder år gammel fra tidernes begyndelse."

Marcotulli, der sluttede sig til Ajellos gruppe som ph.d.-studerende i 2016, har studeret blazarernes mekanismer ved at bruge billeder og data leveret fra et andet kredsende NASA-teleskop, Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR). I første omgang, Marcotullis rolle var at forstå emissionsmekanismen for gammastråleblazarer tættere på os. Nu retter hun sin opmærksomhed mod de fjerneste objekter i en søgen efter at forstå, hvad der gør dem så stærke.

"Vi forsøger at forstå hele spektret af energifordelingen af ​​disse objekter ved at bruge fysiske modeller, " sagde Marcotulli. "Vi er i øjeblikket i stand til at modellere, hvad der sker langt mere præcist end tidligere udtænkt, og til sidst vil vi være i stand til bedre at forstå, hvilke processer der finder sted i jetflyene, og hvilke partikler der udstråler al den energi, vi ser. Er det elektroner? Eller protoner? Hvordan interagerer de med omgivende fotoner? Alle disse parametre er ikke fuldt ud forstået lige nu. Men hver dag uddyber vi vores forståelse."

Alle galakser har sorte huller i deres centre - nogle lever aktivt af stoffet omkring dem, andre ligger relativt i dvale. Vores egen galakse har i centrum et superstort sort hul, der i øjeblikket er i dvale. Ajello sagde, at kun et af hver 10 sorte huller i dagens univers er aktive. Men da universet var meget yngre, det var tættere på et forhold på 50-50.

De supermassive sorte huller i centrum af de fem nyopdagede blazargalakser er blandt de største typer sorte huller, der nogensinde er observeret, i størrelsesordenen hundredtusinder til milliarder af gange vores egen sols masse. Og deres medfølgende tilvækstskiver - roterende stofhvirvler, der kredser om de sorte huller - udsender mere end to billioner gange vores sols energiproduktion.

Et af de mest overraskende elementer i Ajellos forskning er, hvor hurtigt - ved kosmiske mål - disse overdimensionerede sorte huller må være vokset på kun 1,4 milliarder år. I forhold til vores nuværende viden om, hvordan sorte huller vokser, 1,4 milliarder år er knap nok tid til, at et sort hul kan nå massen af ​​dem, der er opdaget af Ajellos hold.

"Hvordan opstod disse ubegribeligt enorme og energifyldte sorte huller så hurtigt?" sagde Ajello. "Er det fordi ét sort hul spiste meget hele tiden i meget lang tid? Eller måske fordi det stødte ind i andre sorte huller og smeltede sammen til ét? For at være ærlig, vi har ingen observationer, der understøtter nogen af ​​argumenterne. Der er mekanismer i gang, som vi endnu mangler at optrevle. Gåder, som vi endnu mangler at løse. Når vi til sidst løser dem, vi vil lære fantastiske ting om, hvordan universet blev født, hvordan det voksede til, hvad det er blevet, og hvad den fjerne fremtid kan byde på, når universet fortsætter med at udvikle sig mod alderdommen."