Forskere opdager det tidligste supermassive sorte hul og kvasar i universet

Næsten hver galakse er vært for et monster i centrum - et supermassivt sort hul, der er millioner til milliarder gange Solens størrelse. Selvom der stadig er meget at lære om disse objekter, mange forskere mener, at de er afgørende for dannelsen og strukturen af ​​galakser. Hvad mere er, nogle af disse sorte huller er særligt aktive, piske stjerner op, støv og gas til glødende tilvækstskiver, der udsender kraftig stråling til kosmos, mens de forbruger stof omkring dem. Disse kvasarer er nogle af de mest fjerne objekter, som astronomer kan se, og der er nu en ny rekord for den fjerneste, der nogensinde er observeret.

Et team af forskere, ledet af tidligere UC Santa Barbara postdoc Feige Wang og herunder professor Joe Hennawi og nuværende postdoc Riccardo Nanni, annoncerede opdagelsen af ​​J0313-1806, den fjerneste kvasar, der er opdaget til dato. Set som det ville have set ud for mere end 13 milliarder år siden, denne fuldt dannede fjerne kvasar er også den tidligste endnu opdaget, giver astronomer indsigt i dannelsen af ​​massive galakser i det tidlige univers. Holdets resultater blev frigivet på mødet i januar 2021 i American Astronomical Society og offentliggjort i Astrofysiske tidsskriftsbreve .

Kvasarer er de mest energiske objekter i universet. De opstår, når gas i den overophedede tilvækstskive omkring et supermassivt sort hul ubønhørligt trækkes indad, kaste energi over det elektromagnetiske spektrum. Dette frigiver enorme mængder elektromagnetisk stråling, med de mest massive eksempler, der let overstråler hele galakser.

Quasar J0313-1806 ligger 13 milliarder lysår væk, og eksisterede kun 690 millioner år efter Big Bang. Det er drevet af det tidligst kendte supermassive sorte hul, hvilken, trods sin tidlige dannelse, vejer stadig mere end 1,6 milliarder gange Solens masse. Ja, J0313-1806 overstråler den moderne Mælkevej med en faktor 1, 000.

"De fjerneste kvasarer er afgørende for at forstå, hvordan de tidligste sorte huller blev dannet og for at forstå kosmisk reionisering - den sidste store faseovergang i vores univers, " sagde medforfatter Xiaohui Fan, professor i astronomi ved University of Arizona.

Tilstedeværelsen af ​​et så massivt sort hul så tidligt i universets historie udfordrer teorier om dannelse af sorte hul. Som hovedforfatter Wang, nu en NASA Hubble-stipendiat ved University of Arizona, forklarer:"Sorte huller skabt af de allerførste massive stjerner kunne ikke have vokset sig så store på kun et par hundrede millioner år."

Holdet opdagede først J0313-1806 efter at have finkæmmet data fra store digitale himmelundersøgelser. Afgørende for karakteriseringen af ​​den nye kvasar var et højkvalitetsspektrum opnået ved W. M. Keck Observatory:"Gennem University of California Observatories, vi har privilegeret adgang til Keck-teleskoperne på toppen af ​​Mauna Kea, hvilket gjorde det muligt for os at få data af høj kvalitet om dette objekt kort efter, at det blev bekræftet som en kvasar ved andre teleskoper, " sagde Hennawi.

Udover at veje monsterets sorte hul, Keck-observatoriets observationer afslørede en usædvanlig hurtig udstrømning fra kvasaren i form af en højhastighedsvind, der rejser med 20 % af lysets hastighed. "Den energi, der frigives af sådan en ekstrem højhastighedsudstrømning, er stor nok til at påvirke stjernedannelsen i hele kvasarværtsgalaksen, " sagde Jinyi Yang, fra Steward Observatory ved University of Arizona.

Den tidlige galakse, der er vært for kvasaren, gennemgår en bølge af stjernedannelse, producerer nye stjerner 200 gange hurtigere end den moderne Mælkevej. Systemet er det tidligst kendte eksempel på en kvasar, der skulpturerer væksten af ​​sin værtsgalakse. Kombinationen af ​​denne intense stjernedannelse, den lysende kvasar og højhastighedsudstrømningen gør J0313-1806 og dens værtsgalakse til et lovende naturligt laboratorium til at forstå væksten af ​​supermassive sorte huller og deres værtsgalakser i det tidlige univers.

"Dette ville være et fantastisk mål at undersøge dannelsen af ​​de tidligste supermassive sorte huller, " konkluderede Wang. "Vi håber også at lære mere om virkningen af ​​kvasarudstrømninger på deres værtsgalakse – samt at lære, hvordan de mest massive galakser blev dannet i det tidlige univers."

At finde disse fjerne kvasarer kræver utroligt omhyggeligt arbejde, da de er som nåle i en høstak. Astronomer mine digitale billeder af milliarder af himmellegemer for at finde lovende kvasar-kandidater. "Den nuværende succesrate for at finde disse objekter er omkring 1%. Du skal kysse en masse frøer, før du finder din prins, " bemærkede Hennawi.

Hennawi, Wang og Nanni udvikler maskinlæringsværktøjer til at analysere disse store data og gøre processen med at finde fjerne kvasarer mere effektiv. "I de kommende år vil Den Europæiske Rumorganisations Euclid-satellit og NASAs James Webb-rumteleskop gøre os i stand til at finde måske hundrede kvasarer på denne afstand, eller længere, " sagde Hennawi. "Med en stor statistisk prøve af disse objekter vil vi være i stand til at konstruere en præcis tidslinje for reioniseringsepoken samt kaste mere lys over, hvordan disse massive sorte huller blev dannet."