Ett stort rött svart hål i universums första tid

 

En grupp astronomer under ledning av Lukas Furtak och Adi Zitrin vid Ben-Gurion-universitetet i Negev har analyserat bilder tagna med James Webb Space Telescope (JWST) och upptäckt ett rött, gravitationslinsat supermassivt svart hål i universums första tid. Den röda färgen tyder på att det svarta hålet ligger bakom en tjock slöja av stoft som skymmer det svarta hålets sken. Teamet lyckades dock mäta det svarta hålets massa och upptäckte att det var betydligt mer massivt, jämfört med den galax massa vari det fanns.

Teamet samlade därefter in JWST/NIRSpec-data från de tre bilder de tagit av den "röda pricken" och analyserade den insamlade datan. "Spektrat var häpnadsväckande", beskriver professor Ivo Labbé, från Swinburne University of Technology en av ledarna för UNCOVER-programmet. 

 "Genom att kombinera signalen från de tre bilderna tillsammans med linsförstoring motsvarar det resulterande spektrumet ~1700 observationstimmar av JWST på ett olinsat objekt vilket gör det till det djupaste spektrum JWST har tagit av ett enskilt objekt i det tidiga universum." Beskriver professor Ivo Labbé.– Med hjälp av spektrat lyckades vi inte bara bekräfta att det röda kompakta objektet var ett supermassivt svart hål och mäta dess exakta rödförskjutning utan också få en solid uppskattning av dess massa utifrån bredden på dess emissionslinjer, beskriver huvudförfattaren Dr. Furtak.

Gas kretsar i det svarta hålets gravitationsfält och uppnår här mycket höga hastigheter som inte ses i andra delar av galaxen. På grund av dopplerförskjutning är ljuset som sänds ut av det växande materialet rödförskjutet på ena sidan och blåförskjutet på andra sidan, beroende på dess hastighet. Det gör att emissionslinjerna i spektrumet blir bredare.

Mätresultatet ledde till ännu en överraskning: Det svarta hålets massa verkar överdrivet hög jämfört med galaxens massa.

Allt ljus i galaxen måste rymmas i ett litet område som är lika stort som en nutida stjärnhop. Källans gravitationslinsförstoring gav oss gränser för storleken. Även om man packar in alla möjliga stjärnor i ett så litet område blir det svarta hålet minst 1 procent av systemets totala massa, beskriver professor Jenny Greene vid Princeton University och en av huvudförfattarna till den nya artikeln.

Faktum är att flera andra supermassiva svarta hål i det tidiga universum nu har visat sig uppvisa ett liknande beteende vilket har lett till en del spännande bilder av svarta hål och deras galaxers tillväxt och samspelet mellan dem vilket ännu inte är helt klarlagt.

Astronomer vet inte om sådana supermassiva svarta hål växer till exempel från stjärnrester eller kanske från material som direkt kollapsade till svarta hål i det tidiga universum.

Kanske de svarta hålen fanns innan BigBang eller var endast ett och anledningen till BigBang (min tanke).

Bild https://phys.org/news  Upphovsman: CC0 Public Domain

Ljusstarka galaxer och mörk materia

 

De första galaxerna tros ha bildats när gravitationen från mörk materia långsamt drog samman tillräckligt med väte och helium för att stjärnor skulle kunna bildas och antändas.

Men nu har ny forskning under ledning av astrofysiker vid UCLA (University of California, Los Angeles) visat att väte- och heliumgasen efter Big Bang studsade i överljudsfart mot täta, långsamt rörliga klumpar av kall mörk materia. När gasen därefter avstannade sin rörelse årtusenden senare bildades stjärnor och som i sin tur bildade små, exceptionellt ljusstarka galaxer.

Om denna modell av kall mörk materia är korrekt borde James Webb Space Telescope kunna hitta fläckar av ljusstarka galaxer i det tidiga universum, vilket skulle kunna möjliggöra det första effektiva testet av dagens teori om mörk materia. Om Webb finner fläckarna måste forskarna utarbeta nya teorier om mörk materia.

Den nya forskningen som resulterat i ovan teori publiceras nyligen i The Astrophysical Journal Letters och den tidigare teorin om mörk materia förbättras genom datasimuleringar genom att lägga till växelverkan mellan mörk materia och gas och finner att det som man ansett första ljussvaga galaxerna kan ha varit mycket ljusare än väntat i början av universums historia i dess bildande. Författarna till studien föreslår att man nu bör försöka hitta små galaxer som är mycket ljusstarkare än förväntat med hjälp av teleskop som Webb-teleskopet. Om de däremot endast hittar ljussvaga galaxer kan en del av deras idéer om mörk materia vara felaktiga.

Mörk materia är en typ av hypotetisk materia som inte växelverkar med elektromagnetism eller ljus. Således är det omöjligt att observera med hjälp av optik, elektricitet eller magnetism. Men mörk materia växelverkar med gravitationen och dess närvaro har härletts från de gravitationella effekter den har på vanlig materia. Vanlig materia utgör hela det observerbara universum. Men tots att 84 procent av all materia i universum tros bestå av mörk materia (ej synlig materia) har den aldrig upptäckts direkt.

Bild https://newsroom.ucla.edu/ En sammansättning av Stephans kvintett, en visuell gruppering av fem galaxer, konstruerad av nästan 1 000 separata bildfiler från James Webb Space Telescope. Astrofysiker vid UCLA tror att om teorierna om kall mörk materia är korrekta, borde Webb-teleskopet hitta små, ljusstarka galaxer i det tidiga universum.

De första galaxernas form

 

Forskare som analyserade Webbs data fann att de långsmala (surfbrädeliknande) och nålformade galaxerna var mycket vanligare när universum var 600 miljoner till 6 miljarder år gammalt. Närliggande galaxer i tid och rum är ofta tydligt definierade som spiral eller klotformade.

Det är ännu inte klart om de för oss nya galaxformerna har utvecklats vidare under hela den kosmiska tiden till de spiral och klotformer vi ser i vår tid . Framtida forskning krävs för att ta reda på hur galaxernas 3D-geometrier förändrats under mer än 13 miljarder år.

Forskare som analyserat bilder från NASA:s James Webb Space Telescope beskriver att ungefär 50 till 80 procent av galaxerna de studerat verkar vara tillplattade i två dimensioner enligt uttalande av huvudförfattaren Viraj Pandya, NASA Hubble Fellow vid Columbia University i New York.

Vilken kategori skulle vår galax Vintergatan hamna i om vi kunde vrida tillbaka klockan miljarder år? "Vår bästa gissning är att den kan ha sett mer ut som en surfbräda", beskriver medförfattaren Haowen Zhang, doktorand vid University of Arizona i Tucson. Denna hypotes är delvis baserad på nya bevis från Webb – teoretiker som har "vridit tillbaka klockan" för att uppskatta Vintergatans massa för miljarder år sedan, vilket korrelerar med formen vid den tiden.

Dessa avlägsna galaxer är också mycket mindre massiva än närliggande spiral och elliptiska galaxer – de är föregångare till mer massiva galaxer som vår egen. "I det tidiga universum hade galaxer mycket mindre tid på sig att växa", säger Kartheik Iyer, medförfattare och NASA Hubble Fellow vid Columbia University. – Att identifiera ytterligare kategorier för tidiga galaxer är spännande – det finns mycket mer att analysera nu. Vi kan nu studera hur galaxernas former relaterar till hur de ser ut och bättre projicera hur de bildades mycket mer detaljerat.

"Det här är tidiga resultat", säger medförfattaren Elizabeth McGrath, docent vid Colby College i Waterville, Maine. "Vi måste gräva djupare i data för att ta reda på vad som händer över tid, men vi är mycket nöjda över dessa tidiga trender."

Bild vikipedia NGC 1427A är ett exempel på irreguljär galax.

Bild vikipedia NGC 1427A är ett exempel på irreguljär galax.

Det tidiga universum var fullt av spiralgalaxer

 

Standardmodellen för galaxer säger att de utvecklats över tid. Galaxer bildades från av stora moln bestående av väte och helium och hade därför troligen en ganska oordnad struktur i början. Med tanke på det tidiga universums densitet var galaktiska kollisioner och sammanslagningar vanliga vilket gav galaxerna rotation och då bildades skiv- och spiralformerna. Allt detta tog tid, så vi förväntar oss att spiralgalaxer är ganska vanliga i nuvarande universum men var sällsynta i det tidiga universum.

I det nya arbetet gjort av forskare vid Cornell university användes data från Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS), insamlade av James Webb Space Telescope. Forskarlaget identifierade 873 galaxer större än 10 miljarder solmassor, med rödförskjutningar mellan z = 0,5 och z = 4. Galaxer med denna rödförskjutning är mellan 5 miljarder till 12 miljarder år gamla, så de sträcker sig från de tidigaste galaxerna till de av idag. Av dessa galaxer klassificerades 216 som spiralgalaxer. Forskarna var noga med att påpeka att vissa av dessa kan vara sammanslagna galaxer som blev felklassificerade, men även då klassificerades 108 av galaxerna som spiralgalaxer.

Z talar om hur många år ljuset från objektet har färdats för att nå oss, men detta är inte avståndet till objektet i ljusår, eftersom universum har expanderat när ljuset färdades och objektet nu är mycket längre bort.

När teamet ordnade dem efter rödförskjutning fann de att medan andelen spiralgalaxer minskade i antal när man såg längre tillbaka i tiden, var andelen spiralgalaxer vid rödförskjutningar över z = 3 likväl mycket högre än förväntat. När teamet kalibrerade observationerna fann de att ungefär en femtedel av galaxerna vid z = 3 är spiralgalaxer. Dessa mycket tidiga galaxer skulle då ha  blivit spiralgalaxer mindre än två miljarder år efter Big Bang vilket innebär att det skulle varit kort tid för sammanslagningar och kollisioner som orsak till dem.

Med andra ord utvecklades många galaxer till spiralgalaxer tidigt i universum. Så även om kollisioner och sammanslagningar spelar en roll i bildandet av spiralgalaxer (senare i tiden) finns det sannolikt andra faktorer som spelat in då de tidigaste bildades. För närvarande är det inte klart vilka dessa faktorer är. Med framtida data från JWST hoppas forskarlaget kunna ta reda på hur dessa tidiga galaxer utvecklades och varför spiralgalaxer har funnits så länge.

Kan det vara så att spiralformen är en naturlig form då galaxer bildades tidigt i universum. Kanske man ska se på expansionen och gravitationen  (rörelsen i det tidiga universum) gåtans lösning kan troligen finnas i detta.

Bild vikipedia på en spiralgalax här NGC 3031.

Astronomer har hittat de första tecknen på ett svart håls uppkomst

 

Astronomer kan ha upptäckt de första bevisen av de första massiva svarta hålen i det tidiga universum. Galaxer som i har sådana svarta hål kallas Outsize Black Hole Galaxies (OBGs).

Dessa första svarta hål kan hjälpa forskare att förstå hur vissa supermassiva svarta hål med massor motsvarande miljoner upp till miljarder gånger solens massa kunde vuxit tillräckligt snabbt för att existera mindre än 1 miljard år efter Big Bang.

Svarta hål med massor upp till runt 40 miljoner gånger solens tros bildas vid direkt kollaps av ett massivt moln av gas till skillnad från typiska svarta hål som blir till när en massiv stjärna når slutet av sitt liv och kollapsar under sin egen gravitation.

Men eftersom de senare nämnda svarta hålen beräknas ha kommit till miljarder år efter BigBAng är upptäckten av liknande supermassiva svarta hål som existerade redan 500 miljoner år till bara någon miljard år efter Big Bang utmanande att förstå. Dessa som man antar kommit till genom  kollaps av massiva gasmoln  borde det inte ha funnits tid till  för att resultera i  gigantiska svarta hål. Ändå är det precis vad astronomer som studerar det tidiga universum med James Webb teleskopet och andra instrument har hittat. En teori är att dessa svarta hål fick ett försprång i sina massauppsamlingar genom att växa till från mindre svarta hål.

Kanske flera små håls sammanslagningar är orsaken. Men var dessa kom från eller bildades ur blir dock en olöst gåta. Vad kom först ett svart hål eller universum? 

Det finns två dominerande teorier (ovan i kursiv stil är min). Å ena sidan föreslår experter att supermassiva svarta hål kan ha vuxit från mindre svarta hål med massor runt 10 till 100 gånger solens. Dessa svarta hål skulle teoretiskt bli till via standardmekanismen för skapandet av svarta hål av stjärnmassa, nämligen avslocknandet och kollapsen av universums första generation av stjärnor.

Å andra sidan kan tidiga supermassiva svarta hål ha bildats direkt av kollapsen av massiva gasmoln av materia och därmed hoppa över "stjärnstadiet" (det som sker med avslocknande stjärnor av viss storlek). Astronomer kallar sådana svarta hål som direktkollapsat till svarta hål DCBH (Direct collapse black hole). 

Dessa DCBH kan sedan ha växt genom galaxers sammanslagningar, som var vanliga i det tidiga universum som också skulle medföra tillgång på gas och stoft och därmed växa till i storlek. Så småningom kan flera svarta hål ha kolliderat och smält samman  och ökat sin storlek.

Men det behövs fortfarande mycket mer forskning  innan en population av tunga tidiga mindre  svarta hål kan bekräftas finnas och deras koppling till supermassiva svarta hål i det tidiga universum kan fastställas, men nuvarande fynd representerar åtminstone ett steg i den riktningen.

Eftersom JWST troligast upptäcker fler ackumulerande svarta hål under den kommande tiden planerar vi att analysera dessa källor, undersöka möjliga röntgenmotsvarigheter med Chandra och utveckla en djupare förståelse för OBG , beskriver forskarlaget. Teamets forskning har skickats till Astrophysical Journal Letters och publiceras för närvarande på pappersarkivet arXiv.

Bild vikipedia Animerad simulering av ett Schwarzschild svart hål med en galax som passerar bakom. Runt tidpunkten för inriktningen observeras extrem gravitationlinsning av galaxen.

Inte långt efter BigBang fanns mystiskt nog stora galaxer eller vad är det?

 

James WebbTeleskopet (JWST) fann redan en vecka efter sin lansering den I  juli 2022 en liten röd prick långt därute i tid och rum som kom att skaka om förståelsen av hur och när de första galaxerna bildades efter Big Bang. Efter månader av analys publicerades nyligen en studie av upptäckten i Nature av biträdande professor Erica Nelson vid University of Colorado och Professor Ivo Labbe.

Webbteleskopet upptäckte ultraröda platta objekt i det infrarödfältet vilket är det fält Webbteleskopet arbetar med.

Ultraviolett och synligt ljus från de första stjärnorna och galaxerna som bildades efter Big Bang sträcks ut av universums expansion när det färdas mot oss, så när ljuset når oss ser vi det som infrarött ljus. Beroende på rödförskjutning något som sker med ljus från ett objekt då det är på väg bort från oss genom universums pågående expansion.

De upptäckta galaxerna ser ut som UFO utom en. Efter det att Ivo Labbe sett på denna lilla röda prick på skärmen använde han ett analysprogram på denna galax vilket gav ett avstånd från oss på 13,1 miljarder ljusår och en massa av 100 miljarder stjärnor. Enligt den kunskap vi har om universum är detta omöjligt massiva galaxer så tidigt efter  universums tillblivelse.

Men kan det ha ett samband med de otroligt stora stjärnor som upptäckts under universums tidigaste existens? Se mitt inlägg den 4 mars. Kan galaxerna bestå av ett mindre antal av dessa som bestod av väte och helium stjärnor som var ca 10000 gånger större än vår sol?

Galaxen som undersöktes visade att den fanns redan när universums ålder enbart var 5 % av den nuvarande eller för 13, 8 miljarder år sedan.

Några dagar efter detta fynd hade Ivo Labbe hittat ytterligare sex stycken.

Ivo Labbe begrundar över (säkert även Erica Nelson) över att när vi ser ut i rymden och tillbaka i tiden ser vi "resterna" av fullbildade, mogna galaxer dyka upp till synes från ingenstans cirka 1,5 miljarder år efter Big Bang.

Galaxer där inga stjärnor längre bildas. Stjärnåldrarna i dessa döda galaxer tyder på att de måste ha bildats mycket tidigare i universum, men Hubble har aldrig kunnat upptäcka deras tidigare och aktiva stadier. Nu först med Webbteleskopet är det möjligt..

Tidiga så kallade döda galaxer är galaxer som innehöll lika många stjärnor som Vintergatan, men de var mycket närmre varandra så den galax de fanns i var ca 30 gånger mindre än Vintergatan. De ser ut som extremt krympta versioner av galaxer men med likartad massa.

Det finns dock något man kan fundera över. Dessa små röda prickar har för många stjärnor i ett läge då universum var ungt de borde inte redan då ha uppkommit.

För att producera dessa galaxer så snabbt behöver du nästan all gas i universum för att stjärnor av denna mängd skulle kunna bildas. Något som forskarvärlden ser som omöjligt. Men likväl har upptäckt ha skett.

Det första steget för att lösa detta mysterium är att bekräfta avstånden med spektroskopi, där vi åter undersöker ljuset från var och en av dessa galaxer genom ett prisma och delar upp det i sitt regnbågsliknande fingeravtryck. Detta kommer att berätta avståndet till 0,1 procents noggrannhet. En misstanke finns att avståndsbedömningen blivit missvisande i tid och rum.

Det kommer också då att visa vad ljuskällan är, om det är stjärnor i en galax eller något annat mer exotiskt. Man tänker då på kvasarer.

För ungefär en månad sedan, riktade Webbteleskopet in sig på en av de sex galaxerna och det visade sig då vara en avlägsen babykvasar. En kvasar är ett fenomen som uppstår när gas faller in i ett supermassivt svart hål i mitten av en galax och börjar lysa starkt. Så kanske det inte är galaxer utan kvasarer. https://sv.wikipedia.org/wiki/Kvasar

Om det istället är kvasarer allihop än galaxer är frågan. Kvasarer tror jag är rimligt. Men om det är snabbt samlade stjärnor till galaxer då bör det vara de första jättestjärnorna de innehåller se mitt inlägg från 4 mars om jättestjärnor.

Bild från https://astronomy.com/ som visar de sex galaxerna i sin omgivning

Intressant forskning om de första galaxerna.

 

Med hjälp av data från radioteleskop SARAS3 i Indien kunde forskare under ledning från University of Cambridge titta närmare på hur universum såg ut 200 miljoner år efter Big Bang och sätta gränsen för massa och energiproduktion i de första stjärnorna och galaxerna.

Då det gällde de första galaxerna genom att de inte hittade den signal de letat efter den så kallade 21 centimeter långa vätelinjen.

Denna icke-upptäckt gjorde det möjligt för forskarna att göra fler antaganden om kosmos första tids första galaxer och göra det möjligt för forskarna att utesluta scenarier (inklusive  förmodade galaxer)  som var ineffektiva då det gällde att värmare kosmisk gas och vara effektiva producenter av radioemissioner.

Även om vi ännu inte direkt kan observera de första galaxer ger resultaten som rapporteras i tidskriften Nature Astronomy ändå ett viktigt steg i förståelsen av  hur vårt universum övergick från att vara nästan öde till ett med otaliga stjärnor.

Resultaten som erhållits med hjälp av data  från SARAS3 en proof-of-concept-studie som nu banar väg för att förstå denna period i universums utveckling.

SKA-projektet  är ett projekt som involverar två av nästa generations teleskop som ska vara klara i slutet av decenniet – kommer sannolikt att kunna ta bilder av det tidiga universum, men för de nuvarande teleskopen som är i drift är utmaningen att upptäcka den kosmologiska signalen från de första stjärnorna som strålas från tjocka vätemoln en svår men kanske inte omöjlig uppgift.

Den ovan nämnda 21 centimeter långa vätelinjen är en radiosignal som producerades av väteatomer i det tidiga universum. Till skillnad från den nyligen lanserade James Webb teleskopet som direkt kan avbilda enskilda galaxer i det tidiga universum, kan studier av den 21 centimeter långa linjen, gjord med radioteleskop som den Cambridge-ledda REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), berätta om hela populationer av ännu tidigare galaxer. De första resultaten väntas från Reach i början av 2023.

För att upptäcka den 21 centimeter långa linjen letar astronomer efter en radiosignal producerad av väteatomer i det tidiga universum, påverkad av ljuset från de första stjärnorna och strålning bortom vätedimman. Tidigare i år utvecklade samma forskare en metod som de säger ska göra det möjligt för dem att se genom dimman i det tidiga universum och upptäcka ljus från de första stjärnorna. Några av dessa tekniker har redan praktiserats i den aktuella studien.

Resultaten av SARAS3-analysen visar den första gången som radioobservationer av den genomsnittliga 21-centimeterslinjen har kunnat ge en inblick i de första galaxernas egenskaper i form av gränser för deras huvudsakliga fysikaliska egenskaper. Den hittades inte (21-centimeterslinjen) som beskrevs i början av inlägget.

Forskningen stöddes delvis av Science and Technology Facilities Council (STFC) och av UK Research & Innovation (UKRI) och Royal Society. Cambridgeförfattarna är alla medlemmar i Kavli Institute for Cosmology i Cambridge.

Bild vikimedia på NGC 7822 ett område där stjärnbildning sker som finns i stjärnbilden Cepheus. Här ses ett stort moln av gas och damm 3000 ljusår bort . Bilden innehåller data från kortvågsbandet som kartlägger utsläpp från atomärt syre, väte och svavel och visar dessa i blå, gröna och röda nyanser. Atomemissionen drivs av energirik strålning från de i centrala delarnas heta stjärnor. OBS detta är har inget r samband med den första stjärnbildningstiden utan är bara en illustration av fenomenet stjärnbildning.