Astronomer observerer undvigende stjernelys omkring gamle kvasarer

MIT-astronomer har observeret det undvigende stjernelys, der omgiver nogle af de tidligste kvasarer i universet. De fjerne signaler, som sporer mere end 13 milliarder år tilbage til universets barndom, afslører spor til, hvordan de allerførste sorte huller og galakser udviklede sig.

Kvasarer er de flammende centre for aktive galakser, som er vært for et umætteligt supermassivt sort hul i deres kerne. De fleste galakser er vært for et centralt sort hul, der lejlighedsvis kan nyde gas og stjerneaffald og generere et kort lysudbrud i form af en glødende ring, mens materialet hvirvler ind mod det sorte hul.

Kvasarer kan derimod forbruge enorme mængder stof over meget længere tid, hvilket genererer en ekstremt lys og langvarig ring – faktisk så lys, at kvasarer er blandt de mest lysende objekter i universet.

Fordi de er så lyse, overstråler kvasarer resten af ​​galaksen, hvor de bor. Men MIT-holdet var for første gang i stand til at observere det meget svagere lys fra stjerner i værtsgalakserne i tre gamle kvasarer.

Baseret på dette undvigende stjernelys estimerede forskerne massen af ​​hver værtsgalakse sammenlignet med massen af ​​dets centrale supermassive sorte hul. De fandt ud af, at for disse kvasarer var de centrale sorte huller meget mere massive i forhold til deres værtsgalakser sammenlignet med deres moderne modstykker.

Resultaterne, offentliggjort i dag i The Astrophysical Journal , kan kaste lys over, hvordan de tidligste supermassive sorte huller blev så massive på trods af, at de havde en relativt kort mængde kosmisk tid til at vokse. Især kan de tidligste sorte monsterhuller være spiret fra mere massive "frø", end mere moderne sorte huller gjorde.

"Efter at universet opstod, var der frø af sorte huller, som derefter forbrugte materiale og voksede på meget kort tid," siger studieforfatter Minghao Yue, en postdoc ved MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Et af de store spørgsmål er at forstå, hvordan de sorte monsterhuller kunne vokse sig så store, så hurtigt."

"Disse sorte huller er milliarder af gange mere massive end solen, på et tidspunkt, hvor universet stadig er i sin vorden," siger studieforfatter Anna-Christina Eilers, assisterende professor i fysik ved MIT. "Vores resultater tyder på, at i det tidlige univers kunne supermassive sorte huller have fået deres masse før deres værtsgalakser gjorde det, og de oprindelige sorte huls frø kunne have været mere massive end i dag."

Eilers' og Yues medforfattere omfatter MIT Kavli-direktør Robert Simcoe, MIT Hubble Fellow og postdoc Rohan Naidu og samarbejdspartnere i Schweiz, Østrig, Japan og ved North Carolina State University.

Blændende kerner

En kvasars ekstreme lysstyrke har været indlysende, siden astronomer først opdagede objekterne i 1960'erne. De antog dengang, at kvasarens lys stammede fra en enkelt, stjernelignende "punktkilde". Forskere udpegede objekterne "kvasarer" som et portmanteau af et "kvasistjerneligt" objekt.

Siden de første observationer har videnskabsmænd indset, at kvasarer i virkeligheden ikke er stjerneoprindelse, men stammer fra tilvæksten af ​​intenst kraftige og vedvarende supermassive sorte huller, der sidder i centrum af galakser, der også er vært for stjerner, som er meget svagere i forhold til deres blændende. kerner.

Det har været ekstremt udfordrende at adskille lyset fra en kvasars centrale sorte hul fra lyset fra værtsgalaksens stjerner. Opgaven er lidt som at skelne et felt af ildfluer omkring et centralt, massivt søgelys. Men i de seneste år har astronomer haft en meget bedre chance for at gøre det med lanceringen af ​​NASAs James Webb Space Telescope (JWST), som har været i stand til at kigge længere tilbage i tiden og med meget højere følsomhed og opløsning end nogen eksisterende observatorium.

I deres nye undersøgelse brugte Yue og Eilers dedikeret tid på JWST til at observere seks kendte, gamle kvasarer, med mellemrum fra efteråret 2022 til det følgende forår. I alt indsamlede holdet mere end 120 timers observationer af de seks fjerne objekter.

"Kvasaren overstråler sin værtsgalakse i størrelsesordener. Og tidligere billeder var ikke skarpe nok til at skelne, hvordan værtsgalaksen med alle dens stjerner ser ud," siger Yue. "Nu er vi for første gang i stand til at afsløre lyset fra disse stjerner ved meget omhyggeligt at modellere JWST's meget skarpere billeder af disse kvasarer."

En let balance

Holdet gjorde status over billeddataene indsamlet af JWST af hver af de seks fjerne kvasarer, som de anslog til at være omkring 13 milliarder år gamle. Disse data inkluderede målinger af hver kvasars lys i forskellige bølgelængder. Forskerne indførte disse data i en model af, hvor meget af det lys, der sandsynligvis kommer fra en kompakt "punktkilde", såsom et centralt sort huls tilvækstskive, versus en mere diffus kilde, såsom lys fra værtsgalaksens omkringliggende, spredte stjerner .

Gennem denne modellering pirrede holdet hver kvasars lys i to komponenter:lys fra det centrale sorte huls lysende skive og lys fra værtsgalaksens mere diffuse stjerner. Mængden af ​​lys fra begge kilder er en afspejling af deres samlede masse. Forskerne vurderer, at for disse kvasarer var forholdet mellem massen af ​​det centrale sorte hul og massen af ​​værtsgalaksen omkring 1:10. Dette, indså de, stod i skarp kontrast til nutidens massebalance på 1:1.000, hvor mere nyligt dannede sorte huller er meget mindre massive sammenlignet med deres værtsgalakser.

"Dette fortæller os noget om, hvad der vokser først:Er det det sorte hul, der vokser først, og så indhenter galaksen det? Eller er det galaksen og dens stjerner, der først vokser, og de dominerer og regulerer det sorte huls vækst?" Eilers forklarer. "Vi ser, at sorte huller i det tidlige univers ser ud til at vokse hurtigere end deres værtsgalakser. Det er et foreløbigt bevis på, at de oprindelige sorte huls frø kunne have været mere massive dengang."

"Der må have været en eller anden mekanisme til at få et sort hul til at få deres masse tidligere end deres værtsgalakse i de første milliard år," tilføjer Yue. "Det er sådan set det første bevis, vi ser for dette, hvilket er spændende."

Flere oplysninger: Minghao Yue et al., EIGER. V. Karakterisering af værtsgalakserne af lysende kvasarer ved z ≳ 6, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad3914

Journaloplysninger: Astrofysisk tidsskrift

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.