Bild https://www.ucl.ac.uk James Webb Space Telescope (JWST) bild av den starkt förvrängda röda galaxen MRG-M0138 sedd genom ett förgrundskluster av galaxer (vita källor). Genom fenomenet gravitationslinsning avbildas samma bakgrundsgalax fyra gånger i bakgrunden. Källa: NASA/JWST
Det avlägsnaste nästan osynliga lugna svarta hål som upptäckts och vägts av ett internationellt astronomteam som inkluderar forskare från UCL (University College London) finns i centrum av galaxen MRG-M0138 10 miljarder ljusår bort. Det är det mest avlägsna vilande svarta hålet som hittills upptäckts, 15 gånger längre bort än det tidigare rekordet i tid och rum.
Det svarta hålets massa är ungefär 6 miljarder gånger större än vår sols och det observeras vid en tid då universum bara var cirka 3 miljarder år gammalt ungefär en fjärdedel av dess nuvarande ålder, vilket ger enastående detaljer om svarta hål i det tidiga universum.
För att hitta detta svarta hål använde teamet data från NASAs James Webb Space Telescope till att spåra rörelsen hos stjärnor som kretsar runt det annars osynliga svarta hålet och mäta dess massa. Även om tekniken – känd som stellar dynamics har använts för att mäta vilande svarta hål i galaxer mycket närmare jorden, är detta första gången den används för att väga ett hål som befinner sig på så stort (kosmologiskt) avstånd.
Seniorförfattaren, professor Richard Ellis (UCL Physics & Astronomy), beskriver "Att fastställa hur stjärnor kollektivt rör sig i centrum av denna avlägsna galax har gjort det möjligt för oss att mäta massan av dess annars osynliga i optiskt ljus supermassiva svarta hål. Genom att visa möjligheten av en sådan teknik till galaxer i det tidiga universum kan vi nu genomföra en mer fullständig inventering av hur svarta hål utvecklas över tid och dra slutsatser om deras roll i galaxutveckling."
Även om svarta hål själva inte avger något ljus kan gasformigt material som faller in i dem avge mycket strålning. Dessa "aktiva galaxkärnor" kallas ibland kvasarer och är lätta att identifiera eftersom de är några av de mest ljusstarka objekten i kosmos. https://sv.wikipedia.org/wiki/Kvasar
Det supermassiva svarta hålet i MRG-M0138 är vilande. Eftersom inget gasformigt material faller in i det kan dess närvaro endast härledas från rörelser från närliggande stjärnor.
Teamet kunde upptäcka dess närvaro och noggrant mäta dess massa genom att observera stjärnornas kollektiva rörelse som rörde sig runt hålet. Hur snabbt de rör sig och skillnaderna mellan rörelserna hos stjärnor nära det svarta hålet och de som ligger längre bort gjorde att forskarna noggrant kunde beräkna massan för det svarta hålet.
Det är en teknik liknande den som har använts för att mäta massan hos det svarta hålet i centrum av vår egen galax och flera andra närliggande galaxer. Men det är första gången den används på ett objekt på så stort avstånd. Tidigare var den mest avlägsna galax som studerats på liknande sätt med denna teknik 700 miljoner ljusår bort.
Normalt skulle rörelserna hos stjärnor i en så avlägsen galax vara omöjliga att observera. Men teamet kunde använda ett naturligt kosmiskt förstoringsglas (gravitationslinsning). Gravitationspåverkan från en annan galax, som ligger direkt mellan MRG-M0138 och jorden böjer ljuset runt den, omfokuserar bakgrundsbilden och förstorar den 30 gånger. Med detta kunde forskarna rekonstruera de interna detaljerna i den avlägsna galaxen med mycket högre upplösning än vad som annars skulle varit möjligt.
Huvudförfattaren till studien (se nedan) Dr Andrew Newman från Carnegie Science i Pasadena, Kalifornien, beskriver: "Genom att kombinera JWST-data med gravitationslinsning kunde vi kika in i det svarta hålets inflytandesfär, där dess gravitation ökar stjärnornas rörelsehastighet. Detta är en av de bästa teknikerna vi har för att väga ett svart hål, så vi var glada att förlänga det till en mycket tidig period i kosmisk historia."
Endast några få vilande svarta hål lika massiva har tidigare hittats, men då på mycket närmare avstånd från oss.
Upptäckten ger nya ledtrådar om hur svarta hål och galaxer växte tillsammans i det tidiga universum. Lokala galaxer har avslöjat ett nära samband mellan deras massor och deras centrala svarta hål, men mer data behövs från tidig kosmisk tid av både aktiva och vilande supermassiva svarta hål för att fullt ut förstå detta samband.
Forskarna fann att det inte bara är det svarta hålet som är vilande även den omgivande galaxen är lika inaktiv och där bildas inga nya stjärnor. Troligen hyste MRG-M0138 en gång en lysande kvasar. Forskarna tror att när det svarta hålet först bildades växte det snabbt och brände eller slungade den fria energin ut den fritt flytande gasen i galaxen, vilket är avgörande för bildandet av nya stjärnor och denna nu är slut för att nya stjärnor ska bildas i den tid vi ser den.
Teamet förväntar sig att ytterligare observationer från JWST och andra rymdteleskop kommer att avslöja många fler vilande svarta hål från det tidiga universum. Detta skulle ge nya insikter om deras roll i att stoppa stjärnbildning, samt hur vilande svarta hål kan aktiveras igen när stora mängder materia börjar strömma in i dem på nytt.
Studien finns att läsa här i Science.
