Mysteriet med ett svart hål som redan innehöll en miljard solmassor då universum var ungt.

 

James Webbteleskopet har observerat en galax i ett  ungt stadium av universum. När man blickar bakåt i tiden blev det tydligt att ljuset från galaxen J1120+0641 tog nästan lika lång tid på sig att nå jorden som det har tagit för universum att utvecklas fram till idag. Det är svårt att förstå hur det svarta hålet i denna galax centrum kunde ha haft ett innehåll av  över en miljard solmassor redan då i universums första tid vilket oberoende mätningar har visat.

Nya observationer av materia i närheten av det svarta hålet borde då avslöja en  effektiv matningsmekanism in i hålet men detta kunde man ej finna. Detta gör resultatet än mer extraordinärt: då det kan betyda att astrofysiker förstår mindre om galaxers utveckling än de trodde.

Den första miljarden år i  universums historia utgör en utmaning för att förstå. De tidigaste kända svarta hålen i galaxers centrum har förvånansvärt stora massor. Hur kunde de bli så massiva så snabbt? Observationen som beskrivs ovan ger starka bevis att vissa föreslagna förklaringar bör finnas särskilt mot ett "ultraeffektivt matningsläge" de tidigaste svarta hålens tillväxt kan inte ha skett slumpmässigt snabbt. 

Materia som faller in mot ett svart hål bildar en virvlande, het, ljus "ackretionsskiva". När detta händer runt ett supermassivt svart hål blir resultatet en aktiv galaxkärna. De ljusaste av dessa objekt (I Centrum av en galax) kallas kvasarer och är bland de ljusaste astronomiska objekten i hela kosmos. Den ljusstyrkan begränsar hur mycket materia som kan falla in i det svarta hålet: Ljuset utövar ett tryck som kan hindra ytterligare materia att falla in.

Därför blev astronomerna förvånade när observationer av avlägsna kvasarer under de senaste tjugo åren avslöjat mycket unga svarta hål som ändå nått massor så höga som 10 miljarder solmassor. Det tar tid för ljus att färdas från ett avlägset objekt till oss, så att se på så avlägsna objekt innebär 'ven att se in i ett avlägset förflutet. Vi ser de mest avlägsna kända kvasarerna som de var i en era som kallas "kosmisk gryning", mindre än en miljard år efter Big Bang, tiden då de första stjärnorna och galaxerna bildades.

Att förklara dessa tidiga massiva svarta hål är en stor utmaning för dagens teorier om galaxers utveckling. Kan det vara så att tidiga svarta hål var mycket effektivare på att dra till sig gas än senare svarta hål? Eller kan förekomsten av stoft påverka uppskattningar av kvasarmassan på ett sätt som fick forskarna att överskatta de tidiga svarta hålens massor? Det finns många förslag till förklaringar just nu, men ingen som är allmänt accepterad. Kvasarens breda linjeområde, där klumpar av gas kretsar runt det svarta hålet med hastigheter nära ljusets hastighet –  gör det möjligt att dra slutsatser om det svarta hålets massa och densiteten och joniseringen av den omgivande materian visar inget extraordinärt.

Genom att nästan alla egenskaper som kan härledas i ett spektrum därifrån skiljer sig J1120+0641 inte från kvasarer av yngre slag.

Sammantaget bidrar de nya observationerna bara till mysteriet: Tidiga kvasarer var lika senare epokers. Oavsett i vilka våglängder vi observerar dem är kvasarer nästan identiska vid alla tidsepoker av universum, beskriver Bosman. Inte bara de supermassiva svarta hålen själva utan även deras matningsmekanismer var tydligen redan helt "mogna" när universum bara var 5 procent av sin nuvarande ålder. Genom att utesluta ett antal alternativa lösningar ger resultaten starkt stöd för teorin att supermassiva svarta hål började med betydande massor redan från början, på astronomispråk: att de är "ursprungliga. Supermassiva svarta hål bildades inte från resterna av tidiga stjärnor och växte sedan mycket snabbt utan måste ha bildats tidigt med en massa på minst hundratusen solmassor, förmodligen genom kollaps av ett massiva tidigt gasmoln.

Vi ska ha i åtanke att universums första tid var detta mindre och hade en hög densitet av vätemoln (gasmoln) som bör ha gjort att svarta hål växt snabbt och även att svarta hål kan vara det första bland det som kom till vid BigBang.

Dr. Sarah Bosman vid Max Planck-institutet för astronomi, Heidelberg är kontaktperson för den artikel inlägget utgått från.

Bild https://www.mpg.de/ Konstnärs intryck av den ljusa kärnan i en kvasar (en aktiv galax). Det supermassiva svarta hålet i mitten är omgivet av en ljus skiva av gas och stoft. Stoftkomponenten längre ut kan skymma sikten av interiören och lyser främst i det mellersta infraröda området vilket är ljus som kan analyseras av James Webb Space Telescope. En buntad, högenergetisk partikelstråle skjuter ut i rymden från det svarta hålets omedelbara närhet vinkelrätt mot skivan.

© T. Müller / MPIA