Astronomer opdager et ekstremt rødt supermassivt sort hul i det tidlige univers, der vokser i skyggerne

Ved at analysere billeder fra James Webb Space Telescope (JWST) har en gruppe astronomer ledet af Dr. Lukas Furtak og Prof. Adi Zitrin fra Ben-Gurion University of the Negev opdaget et ekstremt rødt, gravitationslinser supermassivt sort hul i det tidlige univers . Dens farver tyder på, at det sorte hul ligger bag et tykt slør af støv, der skjuler meget af dets lys. Holdet formåede at måle det sorte huls masse og opdagede, at det var betydeligt mere massivt sammenlignet med dets værtsgalakse, end hvad der er set i flere lokale eksempler.

Fundet er offentliggjort i Nature .

JWST, der blev lanceret for to år siden, har revolutioneret vores syn på tidlig galaksedannelse. Det har ført til påvisning af meget tidlige galakser i større mængder og større lysstyrker end tidligere forudsagt, og afsløret nogle nye typer objekter.

Gruppen af ​​astronomer havde på JWST-billeder opdaget, hvad der så ud til at være et linseformet, kvasarlignende objekt fra det tidlige univers. Kvasarer er lyse aktive galaktiske kerner:supermassive sorte huller i centrene af galakser, der aktivt samler materiale.

Tilvæksten af ​​materiale på det sorte hul udsender rigelige mængder stråling, der overstråler værtsgalaksen, hvilket fører til et kompakt og lyst, stjernelignende udseende. JWST-billederne, hvor Furtak og Zitrin identificerede objektet, blev taget til UNCOVER-programmet, som afbildede feltet af en galaksehob, Abell 2744, til en hidtil uset dybde.

Da klyngen indeholder store mængder masse, bøjer den rumtiden - eller lysstrålernes veje i nærheden af ​​den - og skaber effektivt en gravitationslinse. Gravitationslinsen forstørrer baggrundsgalakserne bag sig og giver astronomer mulighed for at observere endnu fjernere galakser end ellers muligt.

"Vi var meget begejstrede, da JWST begyndte at sende sine første data. Vi var ved at scanne de data, der ankom til UNCOVER-programmet, og tre meget kompakte, men rødblomstrende objekter skilte sig tydeligt ud og fangede vores øjne," siger Dr. Lukas Furtak, en postdoc. forsker ved BGU og hovedforfatter på opdagelsespapirerne. "Deres 'røde prik' udseende fik os straks til at mistænke, at det var en kvasar-lignende genstand."

Furtak og UNCOVER-gruppen begyndte at undersøge genstanden. "Vi brugte en numerisk linsemodel, som vi havde konstrueret til galaksehoben for at bestemme, at de tre røde prikker skulle være flere billeder af den samme baggrundskilde, set da universet kun var omkring 700 millioner år gammelt," siger prof. Zitrin , en astronom ved BGU og en af ​​hovedforfatterne af opdagelsespapirerne.

"Analyse af objektets farver indikerede, at det ikke var en typisk stjernedannende galakse. Dette understøttede yderligere hypotesen om det supermassive sorte hul," siger prof. Rachel Bezanson, fra University of Pittsburgh og medleder af UNCOVER-programmet. "Sammen med dens kompakte størrelse blev det tydeligt, at dette sandsynligvis var et supermassivt sort hul, selvom det stadig var anderledes end andre kvasarer fundet på de tidlige tidspunkter," tilføjede Prof. Bezanson. Opdagelsen af ​​det unikke røde og kompakte objekt blev offentliggjort sidste år i Astrophysical Journal . Men det var kun begyndelsen på historien.

Holdet erhvervede derefter JWST/NIRSpec-data af de tre billeder af den "røde prik" og analyserede dataene. "Spektrene var bare forbløffende," siger prof. Ivo Labbé, fra Swinburne University of Technology og medleder af UNCOVER-programmet, "Ved at kombinere signalet fra de tre billeder sammen med linseforstørrelsen er det resulterende spektrum ækvivalent til ~1700 observationstimer af JWST på et objekt uden linse, hvilket gør det til det dybeste spektrum, JWST har opnået for et enkelt objekt i det tidlige univers."

"Ved at bruge spektrene lykkedes det os ikke kun at bekræfte, at det røde kompakte objekt var et supermassivt sort hul og måle dets nøjagtige rødforskydning, men også at opnå et solidt skøn for dets masse ud fra bredden af ​​dets emissionslinjer," siger hovedforfatter Dr. Furtak. "Gassen kredser i det sorte huls gravitationsfelt og opnår meget høje hastigheder, som ikke ses i andre dele af galakserne. På grund af Doppler-skiftet er lyset, der udsendes af det tilstødende materiale, rødforskudt på den ene side og blåforskudt. på den anden side, i henhold til dens hastighed. Dette får emissionslinjer i spektret til at blive bredere."

Men målingen førte til endnu en overraskelse:Det sorte huls masse ser ud til at være for høj sammenlignet med værtsgalaksens masse.

"Alt lyset fra den galakse skal passe ind i et lille område på størrelse med en nuværende stjernehob. Kildens gravitationslinseforstørrelse gav os udsøgte grænser for størrelsen. Selv at pakke alle de mulige stjerner ind i et så lille område, det sorte hul ender med at være mindst 1 % af systemets samlede masse," siger prof. Jenny Greene fra Princeton University og en af ​​hovedforfatterne til det nylige papir.

"Faktisk har flere andre supermassive sorte huller i det tidlige univers nu vist sig at vise en lignende adfærd, som fører til nogle spændende syn på sort hul og værtsgalaksevækst, og samspillet mellem dem, som ikke er godt forstået."

Astronomer ved ikke, om sådanne supermassive sorte huller vokser, for eksempel fra stjernerester, eller måske fra materiale, der direkte kollapsede til sorte huller i det tidlige univers.

"På en måde er det den astrofysiske ækvivalent til hønse- og ægproblemet," siger prof. Zitrin. "Vi ved ikke i øjeblikket, hvad der kom først - galaksen eller det sorte hul, hvor massive de første sorte huller var, og hvordan de voksede."

Da mange flere sådanne "små røde prikker" og andre aktive galaktiske kerner for nylig er blevet opdaget med JWST, vil vi forhåbentlig snart have en bedre idé.

Flere oplysninger: Lukas J. Furtak et al., Et højt masseforhold mellem sort hul og vært i et linseformet AGN i det tidlige univers, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07184-8

Leveret af Ben-Gurion University of the Negev