Hvad kom først:Sorte huller eller galakser?

Sorte huller eksisterede ikke kun i tidernes morgen, de fødte nye stjerner og superladede galaksedannelser, tyder en ny analyse af James Webb-rumteleskopets data.

Indsigten øger teorier om, hvordan sorte huller former kosmos, og udfordrer den klassiske forståelse, som de dannede efter de første stjerner og galakser dukkede op. I stedet kunne sorte huller dramatisk have fremskyndet fødslen af ​​nye stjerner i løbet af de første 50 millioner år af universet, en flygtig periode inden for dets 13,8 milliarder år lange historie.

"Vi ved, at disse monstersorte huller findes i centrum af galakser nær vores Mælkevej, men den store overraskelse nu er, at de også var til stede i begyndelsen af ​​universet og næsten var som byggesten eller frø til tidlige galakser," sagde hovedforfatter Joseph Silk, professor i Institut for Fysik og Astronomi ved Johns Hopkins University og ved Institute of Astrophysics, Paris, Sorbonne University. "De boostede virkelig alt, som gigantiske forstærkere af stjernedannelse, hvilket er en hel omvæltning af, hvad vi troede muligt før - så meget, at dette fuldstændig kunne ryste vores forståelse af, hvordan galakser dannes."

Værket er nyudgivet i Astrophysical Journal Letters .

Fjerne galakser fra det meget tidlige univers, observeret gennem Webb-teleskopet, ser meget lysere ud, end forskerne forudsagde og afslører et usædvanligt højt antal unge stjerner og supermassive sorte huller, sagde Silk.

Konventionel visdom hævder, at sorte huller blev dannet efter sammenbruddet af supermassive stjerner, og at galakser blev dannet efter de første stjerner lyste op i det mørke tidlige univers. Men analysen fra Silks hold tyder på, at sorte huller og galakser eksisterede side om side og påvirkede hinandens skæbne i løbet af de første 100 millioner år. Hvis hele universets historie var en 12-måneders kalender, ville disse år være som de første dage i januar, sagde Silk.

"Vi argumenterer for, at sorte huls udstrømninger knuste gasskyer, forvandler dem til stjerner og i høj grad accelererer stjernedannelseshastigheden," sagde Silk. "Ellers er det meget svært at forstå, hvor disse lyse galakser kom fra, fordi de typisk er mindre i det tidlige univers. Hvorfor i alverden skulle de lave stjerner så hurtigt?"

Sorte huller er områder i rummet, hvor tyngdekraften er så stærk, at intet kan undslippe deres træk, ikke engang lys. På grund af denne kraft genererer de kraftige magnetfelter, der laver voldsomme storme, udsender turbulent plasma og i sidste ende fungerer som enorme partikelacceleratorer, sagde Silk. Denne proces, sagde han, er sandsynligvis grunden til, at Webbs detektorer har opdaget flere af disse sorte huller og lyse galakser, end forskerne havde forventet.

"Vi kan ikke helt se disse voldsomme vinde eller jetfly langt, langt væk, men vi ved, at de skal være til stede, fordi vi ser mange sorte huller tidligt i universet," forklarede Silk. "Disse enorme vinde, der kommer fra de sorte huller, knuser nærliggende gasskyer og forvandler dem til stjerner. Det er det manglende led, der forklarer, hvorfor disse første galakser er så meget lysere, end vi havde forventet."

Silks team forudsiger, at det unge univers havde to faser. I den første fase accelererede højhastighedsudstrømme fra sorte huller stjernedannelsen, og derefter, i en anden fase, blev udstrømningen langsommere. Et par hundrede millioner år efter big bang kollapsede gasskyer på grund af supermassive sorte huls magnetiske storme, og nye stjerner blev født med en hastighed, der langt oversteg den, der blev observeret milliarder af år senere i normale galakser, sagde Silk. Skabelsen af ​​stjerner blev langsommere, fordi disse kraftige udstrømninger gik over i en tilstand af energibevarelse, sagde han, hvilket reducerede den gas, der var tilgængelig til at danne stjerner i galakser.

"Vi troede, at der i begyndelsen dannedes galakser, da en gigantisk gassky kollapsede," forklarede Silk. "Den store overraskelse er, at der var et frø i midten af ​​den sky - et stort sort hul - og det hjalp hurtigt med at omdanne den indre del af denne sky til stjerner med en hastighed, der var meget større, end vi nogensinde havde forventet. Og så de første galakser er utroligt lyse."

Holdet forventer, at fremtidige Webb-teleskopobservationer med mere præcise tællinger af stjerner og supermassive sorte huller i det tidlige univers vil hjælpe med at bekræfte deres beregninger. Silk forventer, at disse observationer også vil hjælpe videnskabsmænd med at samle flere spor om universets udvikling.

"Det store spørgsmål er, hvad var vores begyndelse? Solen er en stjerne ud af 100 milliarder i Mælkevejsgalaksen, og der sidder også et massivt sort hul i midten. Hvad er forbindelsen mellem de to?" han sagde. "Inden for et år vil vi have så meget bedre data, og mange af vores spørgsmål vil begynde at få svar."

Forfattere omfatter Colin Norman og Rosemary F. G. Wyse fra Johns Hopkins; Mitchell C. Begelman fra University of Colorado og National Institute of Standards and Technology; og Adi Nusser fra Israel Institute of Technology.

Flere oplysninger: Joseph Silk et al., Hvilken kom først:Supermassive sorte huller eller galakser? Indsigt fra JWST, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad1bf0

Journaloplysninger: Astrofysiske journalbreve

Leveret af Johns Hopkins University