De första kvasarerna trotsar fysikens lagar

 

En kvasar är en extremt ljusstark och avlägsen aktiv galaxkärna. Bilden ovan från wikipedia visar Kvasaren 3C 273 som finns i stjärnbilden jungfrun på ett foto taget av rymdteleskopet Hubble.

Nya bevis har upptäckts om att supermassiva svarta hål bildades redan under den första miljarden år efter BigBang. Studien, har gjorts av forskare vid INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica i Rom Italien) vilka analyserat 21 avlägsna kvasarer och visat att dessa objekt befinner sig i en fas av extremt snabb tillväxt. Detta ger värdefulla insikter om hur de bildats och utvecklats tillsammans med galaxen vari de finns.

De har observerats i röntgenbandet av rymdteleskopen XMM-Newton och Chandra. Resultaten tyder på att de supermassiva svarta hålen i mitten av dessa stora kvasarer, de första som bildades under den kosmiska gryningen, kan ha nått sina extraordinära massor genom mycket snabb och intensiv ackretion, vilket ger en rimlig förklaring till deras existens i universums tidiga skede.

Kvasarer är aktiva galaxer som drivs av de centrala supermassiva svarta hålen (så kallade aktiva galaxkärnor) och som avger en enorm mängd energi när de drar till sig materia. De är extremt ljusstarka och avlägsna från oss. Kvasarerna som undersökts i den här studien är bland de mest avlägsna objekt som någonsin observerats och dateras till en tid då universum var mindre än en miljard år gammalt.

I arbetet visade analysen av röntgenstrålning från dessa objekt ett helt oväntat beteende hos de supermassiva svarta hålen. Ett samband fanns mellan formen på röntgenstrålningen och hastigheten på de materievindar som kastas ut av kvasarerna. Detta förhållande kopplar vindhastigheten som kan nå tusentals kilometer per sekund till temperaturen på gasen i koronan. Det område som avger röntgenstrålning närmast det svarta hålet. Koronan visade sig vara kopplad till de kraftfulla ackretionsmekanismerna i det svarta hålet självt. Kvasarer med lågenergi av röntgenstrålning och därmed lägre temperatur i koronan uppvisar starkare vindar. Detta indikerar en mycket snabb tillväxtfas som överskrider en fysisk gräns för ansamling av materia som kallas Eddington-gränsen, vilket är anledningen till att denna fas kallas "super-Eddington". Omvänt tenderar kvasarer med högre energiutsläpp av röntgenstrålning att uppvisa svagare vindar.  https://sv.wikipedia.org/wiki/Eddington-luminositet

– Vårt arbete tyder på att de supermassiva svarta hålen i mitten av de första kvasarerna som bildades under den första miljarden år av universums existens faktiskt kan ha ökat sin massa mycket snabbt vilket utmanar fysikens gränser, beskriver Alessia Tortosa, huvudförfattare till studien och forskare vid INAF i Rom. Upptäckten av detta samband mellan röntgenstrålning och vindar är avgörande för att förstå hur så stora svarta hål kunde ha bildats på så kort tid, vilket ger en konkret ledtråd för att lösa ett av de största mysterierna inom modern astrofysik.

Resultatet uppnåddes främst genom att analysera data som samlats in med rymdteleskopet XMM-Newton vid Europeiska rymdorganisationen ESA, vilket möjliggjorde cirka 700 timmars observationer av kvasarerna. Det mesta av datan som samlats in mellan 2021 och 2023 som en del av det fleråriga XMM-Newton Heritage Programme, under ledning av Luca Zappacosta, forskare vid INAF i Rom, är en del av HYPERION-projektet som syftar till att studera hyperluminösa kvasarer under universums kosmiska gryning. Den omfattande observationskampanjen leddes av ett team av italienska forskare och fick stöd från INAF som finansierade programmet och därmed stödde spjutspetsforskning om den evolutionära dynamiken i universums tidiga strukturer.

– I HYPERION-programmet fokuserade vi på två nyckelfaktorer: å ena sidan det noggranna urvalet av kvasarer att observera och att välja ut titanerna, det vill säga de som hade samlat på sig så mycket massa som möjligt och å andra sidan den djupgående studien av deras egenskaper i röntgenstrålning, något som aldrig tidigare gjorts på ett så stort antal objekt från den första tiden av universum, beskriver Luca Zappacosta, forskare vid INAF i Rom. Resultaten vi får är genuint oväntade, och de pekar alla på en super-Eddington-tillväxtmekanism hos de svarta hålen.

Studien ger viktiga insikter för framtida röntgenuppdrag, som ATHENA (ESA), AXIS och Lynx (NASA), som är planerade att skjutas upp mellan 2030 och 2040. Faktum är att de erhållna resultaten kommer att vara användbara för att förfina nästa generations observationsinstrument och för att definiera bättre strategier för att undersöka svarta hål och aktiva galaxkärnor i röntgenstrålning vid mer avlägsna kosmiska epoker. Dessa är nyckelelement för att förstå bildandet av de första galaktiska strukturerna i universums första tid.

Studien publicerades den 20 november 2024 i tidskriften Astronomy & Astrophysics.

Kan den snabba tillväxten berott på att det under de första tiotals miljonerna åren fanns stora mängder av gas som gjorde att kvasarbildning mm tog en otroligt accederande  fart.