Astronomer opdager monster-quasar fra det tidlige univers

Astronomer har opdaget den mest massive kvasar kendt i det tidlige univers, indeholdende et monster sort hul med en masse svarende til 1,5 milliarder sole. Formelt udpeget som J1007+2115, den nyopdagede kvasar er en af ​​kun to kendte fra samme kosmologiske periode. Kvasarer er de mest energiske objekter i universet, og siden deres opdagelse, astronomer har været ivrige efter at bestemme, hvornår de først dukkede op i vores kosmiske historie.

Til ære for sin opdagelse via teleskoper på Maunakea, et bjerg æret i den hawaiianske kultur, kvasaren fik det hawaiianske navn Pōniuāʻena, betyder "uset spinnende skabelseskilde, omgivet af glans." Det er den første kvasar, der har modtaget et indfødt navn, som blev skabt af 30 hawaiianske fordybelsesskolelærere under en workshop ledet af A Hua He Inoa-gruppen, et hawaiisk navneprogram ledet af 'Imiloa Astronomy Center of Hawaii'.

Ifølge den nuværende teori, kvasarer er drevet af supermassive sorte huller. Mens de sorte huller opsluger omgivende stof, såsom støv, gas eller endda hele stjerner, de udsender enorme mængder energi, hvilket resulterer i lysstyrker, der vides at overstråle hele galakser.

Det supermassive sorte hul, der driver Pōniuāʻena, gør denne kvasar til den fjerneste, og derfor tidligst, objekt, der i universet er kendt for at være vært for et sort hul, der overstiger 1 milliard solmasser. Ifølge en ny undersøgelse, der dokumenterer kvasarens opdagelse, lyset fra Pōniuāʻena tog 13,02 milliarder år at nå Jorden – og startede sin rejse kun 700 millioner år efter Big Bang.

"Det er det tidligste monster af denne art, vi kender til, " sagde Jinyi Yang, en postdoktoral forskningsassistent ved University of Arizona's Steward Observatory og hovedforfatter af undersøgelsen, som vil blive offentliggjort i The Astrofysiske tidsskriftsbreve . "Tiden var for kort til, at den kunne vokse fra et lille sort hul til den enorme størrelse, vi ser."

Spørgsmålet om, hvordan et så massivt sort hul kunne materialisere sig, da universet stadig var i sin spæde start, har irriteret astronomer og kosmologer i lang tid, sagde medforfatter Xiaohui Fan, Regents' Professor og associeret leder af UArizona Department of Astronomy.

"Denne opdagelse udgør den største udfordring endnu for teorien om sorte huls dannelse og vækst i det tidlige univers, " sagde Fan.

Forestillingen om, at et sort hul af Pōniuāʻenas proportioner kunne have udviklet sig fra et meget mindre sort hul dannet ved kollapset af en enkelt stjerne på så kort tid, da Big Bang er nærmest umuligt, efter nuværende kosmologiske modeller.

I stedet, undersøgelsens forfattere antyder, at kvasaren ville have været nødt til at starte som et "frø" sort hul, der allerede indeholder den tilsvarende masse på 10, 000 sole allerede 100 millioner år efter Big Bang.

Et tilbageblik på et ungt univers

Pōniuāʻena blev opdaget gennem en systematisk søgning efter de fjerneste kvasarer. Det begyndte med, at forskerholdet gennemgik store områdeundersøgelser, såsom DECaLS-billedundersøgelsen, som bruger Dark Energy Camera på Víctor M. Blanco 4-meter teleskopet placeret ved Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, og UHS-billedundersøgelsen, som bruger Wide Field Camera på det britiske infrarøde teleskop, beliggende ved Maunakea.

Holdet afslørede en mulig kvasar i dataene og, i 2019, observerede det med teleskoper inklusive Gemini North-teleskopet og W. M. Keck Observatory, begge på Maunakea. Magellan-teleskopet ved Las Campanas-observatoriet i Chile bekræftede eksistensen af ​​Pōniuāʻena.

"Observationer med Tvillingerne var kritiske for at opnå de højkvalitets nær-infrarøde spektre, der gav os måling af det sorte huls forbløffende masse, " sagde medforfatter Feige Wang, en NASA Hubble Fellow ved Steward Observatory.

Opdagelsen af ​​en kvasar fra kosmos daggry giver forskerne et sjældent indblik i en tid, hvor universet stadig var ungt og meget anderledes end det, vi ser i dag, sagde forskerne.

Nuværende teori antyder, at i begyndelsen af ​​universet, efter Big Bang, atomer var for langt fra hinanden til at interagere og danne stjerner og galakser. Fødslen af ​​stjerner og galakser, som vi kender dem, skete under reioniseringsepoken, omkring 400 millioner år efter Big Bang.

"I kølvandet på Big Bang, universet var meget koldt, for der var ingen stjerner endnu; intet lys, " sagde Fan. "Det tog omkring 300 til 400 millioner år for de første stjerner og galakser at dukke op, og de begyndte at varme universet op."

Under påvirkning af opvarmning, brintmolekyler blev strippet for elektroner i en proces kendt som ionisering. Denne proces varede kun et par hundrede millioner år - et blink i universets liv - og er genstand for igangværende forskning.

Opdagelsen af ​​kvasarer som Pōniuāʻena, dybt ind i reioniseringstiden, er et stort skridt i retning af at forstå genioniseringsprocessen og dannelsen af ​​tidlige supermassive sorte huller og massive galakser. Pōniuāʻena har lagt nye og vigtige begrænsninger på udviklingen af ​​stoffet mellem galakser, kendt som det intergalaktiske medium, under reioniseringstiden.

"Denne kvasar ser ud som om den blev opdaget lige i midten af ​​den periode, " Fan sagde, "og det faktum, at vi kan observere disse objekter, hjælper os med at forfine, hvad der skete i den periode."

I 2018, undersøgelsesholdet annoncerede opdagelsen af ​​den fjerneste kvasar, der er fundet til dato. Benævnt J1342+0928, det objekt er 2 millioner år ældre end Pōniuāʻena - en ret ubetydelig forskel efter kosmiske standarder, ifølge Fan, som var involveret i begge opdagelser, som blev lavet ved hjælp af det internationale Gemini Observatory og Cerro Tololo Inter-American Observatory - begge programmer fra National Science Foundations National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory.

"Forskellen på 2 millioner lysår ud af 13 milliarder gør det temmelig tæt på uafgjort, " sagde Fan.