Forskere observerer supermassive sorte hul i spædbørns univers

Et hold af astronomer, inklusive to fra MIT, har opdaget det fjerneste supermassive sorte hul, der nogensinde er observeret. Det sorte hul sidder i midten af ​​en ultralys kvasar, hvis lys blev udsendt blot 690 millioner år efter Big Bang. Det lys har taget omkring 13 milliarder år at nå os – et tidsrum, der er næsten lig med universets alder.

Det sorte hul er målt til at være omkring 800 millioner gange så massivt som vores sol - en Goliat efter nutidige standarder og en relativ anomali i det tidlige univers.

"Dette er det eneste objekt, vi har observeret fra denne æra, " siger Robert Simcoe, Francis L. Friedman professor i fysik ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Den har en ekstrem høj masse, og alligevel er universet så ungt, at denne ting ikke burde eksistere. Universet var bare ikke gammelt nok til at lave et så stort sort hul. Det er meget gådefuldt."

Tilføjelse til det sorte huls intriger er miljøet, hvori det blev dannet:Forskerne har udledt, at det sorte hul tog form, netop som universet undergik et fundamentalt skift, fra et uigennemsigtigt miljø domineret af neutral brint til et, hvor de første stjerner begyndte at blinke. Efterhånden som flere stjerner og galakser blev dannet, de genererede til sidst nok stråling til at vende brint fra neutral, en tilstand, hvor brints elektroner er bundet til deres kerne, at ionisere, hvor elektronerne er sat fri til at rekombinere tilfældigt. Dette skift fra neutralt til ioniseret brint repræsenterede en fundamental ændring i universet, som har varet ved den dag i dag.

Holdet mener, at det nyopdagede sorte hul eksisterede i et miljø, der var omkring halvt neutralt, halvt ioniseret.

"Det, vi har fundet, er, at universet var omkring 50/50 - det er et øjeblik, hvor de første galakser dukkede op fra deres kokoner af neutral gas og begyndte at skinne deres vej ud, " siger Simcoe. "Dette er den mest nøjagtige måling på den tid, og en reel indikation af, hvornår de første stjerner tændte."

Simcoe og postdoc Monica L. Turner er MIT-medforfattere til et papir, der beskriver resultaterne, offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur . De andre hovedforfattere er fra Carnegie Institution for Science, i Pasadena, Californien.

Et skift, ved høj hastighed

Det sorte hul blev opdaget af Eduardo Bañados, en astronom hos Carnegie, der fandt objektet, mens han kæmmede gennem flere al-sky undersøgelser, eller kort over det fjerne univers. Bañados ledte især efter kvasarer - nogle af de lyseste genstande i universet, der består af et supermassivt sort hul omgivet af hvirvlende, ophobende skiver af stof.

Efter at have identificeret flere objekter af interesse, Bañados fokuserede på dem ved hjælp af et instrument kendt som FIRE (den foldede port infrarøde Echellette), som blev bygget af Simcoe og opererer ved Magellan-teleskoperne med en diameter på 6,5 meter i Chile. FIRE er et spektrometer, der klassificerer objekter baseret på deres infrarøde spektre. Lyset fra meget fjern, tidlige kosmiske objekter skifter mod rødere bølgelængder på deres rejse gennem universet, efterhånden som universet udvider sig. Astronomer omtaler dette Doppler-lignende fænomen som "rødforskydning"; jo fjernere et objekt, jo længere lyset er flyttet mod det røde, eller infrarød ende af spektret. Jo højere et objekts rødforskydning, jo længere væk det er, både i tid og rum.

Brug af FIRE, holdet identificerede et af Bañados' objekter som en kvasar med en rødforskydning på 7,5, hvilket betyder, at objektet udsendte lys omkring 690 millioner år efter Big Bang. Baseret på kvasarens rødforskydning, forskerne beregnede massen af ​​det sorte hul i dets centrum og fastslog, at det er omkring 800 millioner gange solens masse.

"Noget får gassen i kvasaren til at bevæge sig rundt med meget høj hastighed, og det eneste fænomen, vi kender, der opnår sådanne hastigheder, er kredsløb omkring et supermassivt sort hul, " siger Simcoe.

Da de første stjerner tændte

Den nyligt identificerede kvasar ser ud til at bebo et afgørende øjeblik i universets historie. Umiddelbart efter Big Bang, universet lignede en kosmisk suppe af varm, ekstremt energirige partikler. Da universet hurtigt udvidede sig, disse partikler afkølede og smeltede sammen til neutral brintgas i en æra, der nogle gange omtales som den mørke middelalder – en periode uden lyskilder. Til sidst, tyngdekraften kondenserede stof til de første stjerner og galakser, som igen producerede lys i form af fotoner. Efterhånden som flere stjerner tændte i hele universet, deres fotoner reagerede med neutralt brint, ionisere gassen og sætte gang i det, der er kendt som re-ioniseringens epoke.

Simcoe, Bañados, og deres kolleger mener, at den nyopdagede kvasar eksisterede under denne fundamentale overgang, netop på det tidspunkt, hvor universet undergik et drastisk skift i sit mest rigelige element.

Forskerne brugte FIRE til at fastslå, at en stor del af brinten omkring kvasaren er neutral. De ekstrapolerede fra det for at anslå, at universet som helhed sandsynligvis var omkring halvt neutralt og halvt ioniseret på det tidspunkt, hvor de observerede kvasaren. Fra dette, de udledte, at stjerner må være begyndt at tænde i løbet af denne tid, 690 millioner år efter Big Bang.

"Dette bidrager til vores forståelse af vores univers som helhed, fordi vi har identificeret det tidspunkt, hvor universet er midt i denne meget hurtige overgang fra neutral til ioniseret, "Siger Simcoe. "Vi har nu de mest nøjagtige målinger til dato af, hvornår de første stjerner tændte."

Der er et stort mysterium, der mangler at blive løst:Hvordan opstod et sort hul af så massive proportioner så tidligt i universets historie? Det antages, at sorte huller vokser ved at vokse, eller absorberer masse fra det omgivende miljø. Ekstremt store sorte huller, som den, der blev identificeret af Simcoe og hans kolleger, bør dannes over perioder meget længere end 690 millioner år.

"Hvis du starter med et frø som en stor stjerne, og lad det vokse med den størst mulige hastighed, og start i øjeblikket af Big Bang, du kunne aldrig lave noget med 800 millioner solmasser – det er urealistisk, " siger Simcoe. "Så der må være en anden måde, hvorpå det er dannet. Og hvordan det præcist sker, ingen ved."