Bevis fundet for tilsløret sort hul i det tidlige univers

En gruppe astronomer, inklusive Penn State-videnskabsmænd, har annonceret den sandsynlige opdagelse af et meget sløret sort hul, der eksisterede kun 850 millioner år efter Big Bang, ved hjælp af NASAs Chandra X-ray Observatory. Dette er det første bevis for et tilsløret sort hul på et så tidligt tidspunkt.

Supermassive sorte huller vokser typisk ved at trække materiale ind fra en skive af omgivende stof. For den hurtigste vækst, denne proces genererer enorme mængder stråling i et meget lille område omkring det sorte hul, og producerer en ekstremt lys, kompakt kilde kaldet en kvasar.

Teoretiske beregninger indikerer, at det meste af den tidlige vækst af sorte huller sker, mens det sorte hul og skiven er omgivet af en tæt sky af gas, der føder materiale ind i skiven. Efterhånden som det sorte hul vokser, gassen i skyen er opbrugt, indtil det sorte hul og dets lyse skive er afdækket.

"Det er ekstraordinært udfordrende at finde kvasarer i denne tilslørede fase, fordi så meget af deres stråling absorberes og ikke kan detekteres af nuværende instrumenter, " sagde Fabio Vito, CAS-CONICYT Fellow ved Pontificia Universidad Católica de Chile, hvem ledede undersøgelsen, som han startede som postdoc-forsker ved Penn State. "Takket være Chandra og røntgenstrålernes evne til at trænge gennem den tilslørende sky, vi tror, ​​vi endelig er lykkedes."

Opdagelsen er et resultat af observationer af en kvasar kaldet PSO 167-13, som først blev opdaget af Pan-STARRS, et optisk lys teleskop på Hawaii. Optiske observationer fra disse og andre undersøgelser har resulteret i påvisningen af ​​omkring 200 kvasarer, der allerede skinnede klart, da universet var mindre end en milliard år gammelt, eller omkring 8 procent af sin nuværende alder. Disse undersøgelser blev kun anset for at være effektive til at finde ikke-tilslørede sorte huller, fordi den stråling, de registrerer, undertrykkes af selv tynde skyer af omgivende gas og støv. Derfor forventedes PSO 167-13 at være afsløret.

Vitos team var i stand til at teste denne idé ved at lave Chandra-observationer af PSO 167-13 og ni andre kvasarer opdaget med optiske undersøgelser. Efter 16 timers observation blev der kun detekteret tre røntgenfotoner fra PSO 167-13, alle med relativt høje energier. Lavenergi røntgenstråler absorberes lettere end højenergistråler, så den sandsynlige forklaring på Chandra-observationen er, at kvasaren er meget skjult af gas, tillader kun højenergi røntgenstråler at blive detekteret.

"Dette var en komplet overraskelse, " sagde medforfatter Niel Brandt, Verne M. Willaman Professor i astronomi og astrofysik og professor i fysik ved Penn State. "Det var, som om vi ventede en møl, men så en kokon i stedet. Ingen af ​​de andre ni kvasarer, vi observerede, var tilsløret, hvilket vi havde forventet."

En interessant drejning for PSO 167-13 er, at galaksen, der er vært for kvasaren, har en tæt ledsagergalakse, der er synlig i data, der tidligere er opnået med Atacama Large Millimeter Array (ALMA) af radioskåle i Chile og NASAs Hubble-rumteleskop. På grund af deres tætte adskillelse og røntgenkildens svaghed, holdet var ikke i stand til at afgøre, om den nyopdagede røntgenstråleudsendelse er forbundet med kvasaren PSO 167-13 eller med den ledsagende galakse.

Hvis røntgenstrålerne kommer fra den kendte kvasar, så er astronomerne nødt til at udvikle en forklaring på, hvorfor kvasaren så meget tilsløret i røntgenstråler, men ikke i optisk lys. En mulighed er, at der har været en stor og hurtig stigning i tilsløringen af ​​kvasaren i løbet af de 3 år, mellem de optiske og røntgenobservationer blev foretaget.

På den anden side, hvis røntgenstrålerne i stedet kommer fra den ledsagende galakse, så repræsenterer det påvisningen af ​​en ny kvasar i umiddelbar nærhed af PSO 167-13. Dette kvasarpar ville være det fjerneste hidtil opdaget, bryder rekorden på 1,2 milliarder år efter Big Bang. I begge disse to tilfælde, kvasaren opdaget af Chandra ville være den fjerneste kappe, der endnu er set. Den tidligere rekordholder er observeret 1,3 milliarder år efter Big Bang. Forfatterne planlægger at foretage en mere raffineret karakterisering af kilden med opfølgende observationer.

"Med en længere Chandra observation, vi vil være i stand til at få et bedre skøn over, hvor skjult dette sorte hul er, " sagde medforfatter Franz Bauer, også fra Pontificia Universidad Católica de Chile og en tidligere postdoc-forsker i Penn State, "og lav en sikker identifikation af røntgenkilden med enten den kendte kvasar eller den ledsagende galakse."

Forfatterne planlægger også at søge efter flere eksempler på meget slørede sorte huller.

"Vi har mistanke om, at størstedelen af ​​supermassive sorte huller i det tidlige univers er tilsløret:det er så afgørende at opdage og studere dem for at forstå, hvordan de kunne vokse til masser af en milliard sole så hurtigt, " sagde medforfatter Roberto Gilli fra INAF i Bologna, Italien.

Et papir, der beskriver disse resultater, vises online den 8. august i tidsskriftet Astronomi og astrofysik . NASAs Marshall Space Flight Center administrerer Chandra-programmet. Smithsonian Astrophysical Observatorys Chandra X-ray Center kontrollerer videnskab og flyveoperationer fra Cambridge, MA. Dataene brugt i denne forskning blev indsamlet ved hjælp af Advanced CCD Imaging Spectrometer på Chandra, et instrument udtænkt og designet af et team ledet af Penn State Evan Pugh professor emeritus i astronomi og astrofysik Gordon Garmire.

Ud over Vito, Brandt, og Bauer, forskerholdet omfatter også tidligere Penn State postdoc-forskere Ohad Shemmer, Cristian Vignali, og Bin Luo, som også fik sin doktorgrad ved Penn State.