MIT:s astronomer har observerat det svårfångade stjärnljuset som omger några av universums tidigaste kvasarer. De avlägsna signalerna, som kan spåras mer än 13 miljarder år tillbaka till universums barndom, ger ledtrådar till hur de allra första svarta hålen och galaxerna utvecklades.
Quasarer är de flammande centrumen i aktiva galaxer, som har ett omättligt supermassivt svart hål i sin kärna. De flesta galaxer har ett centralt svart hål som ibland kan frossa i gas och stjärnrester, vilket ger upphov till en kort ljusstöt i form av en glödande ring när materialet virvlar in mot det svarta hålet.
Kvasarer kan däremot förbruka enorma mängder materia under mycket längre tidsperioder, vilket ger upphov till en extremt ljusstark och långvarig ring – så ljusstark att kvasarer faktiskt är bland de mest lysande objekten i universum.
Eftersom de är så ljusstarka överglänser kvasarer resten av den galax där de befinner sig. Men MIT-teamet kunde för första gången observera det mycket svagare ljuset från stjärnor i värdgalaxerna för tre gamla kvasarer.
Baserat på detta svårfångade stjärnljus uppskattade forskarna massan hos varje värdgalax, jämfört med massan hos dess centrala supermassiva svarta hål. De fann att för dessa kvasarer var de centrala svarta hålen mycket mer massiva i förhållande till sina värdgalaxer, jämfört med deras moderna motsvarigheter.
Resultaten, som publiceras idag i The Astrophysical Journal, kan kasta ljus över hur de tidigaste supermassiva svarta hålen blev så massiva trots att de hade en relativt kort kosmisk tid på sig att växa. Framför allt kan de tidigaste monstersvarta hålen ha grott från mer massiva ”frön” än vad mer moderna svarta hål gjorde.
”Efter att universum uppstod fanns det svarta hål med frön som sedan förbrukade material och växte på mycket kort tid”, säger studiens författare Minghao Yue, postdoktor vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. ”En av de stora frågorna är att förstå hur dessa monstersvarta hål kunde växa sig så stora, så snabbt.”
”De här svarta hålen är miljarder gånger mer massiva än solen, vid en tidpunkt då universum fortfarande är i sin linda”, säger Anna-Christina Eilers, biträdande professor i fysik vid MIT och författare till studien. ”Våra resultat tyder på att supermassiva svarta hål i det tidiga universum kan ha fått sin massa innan deras värdgalaxer fick det, och att de första svarta hålens frön kan ha varit mer massiva än idag.”
Eilers och Yues medförfattare inkluderar Robert Simcoe, MIT Kavli Director, Rohan Naidu, MIT Hubble Fellow och postdoktor, samt medarbetare i Schweiz, Österrike, Japan och vid North Carolina State University.
Bländande kärnor
En kvasars extrema ljusstyrka har varit uppenbar sedan astronomerna först upptäckte objekten på 1960-talet. De antog då att kvasarens ljus härrörde från en enda, stjärnliknande ”punktkälla”. Forskarna kallade objekten för ”kvasarer”, som är en förkortning av ”kvasistjärnigt” objekt.
Sedan de första observationerna har forskarna insett att kvasarer i själva verket inte har något stjärnursprung utan härrör från ackretionen av intensivt kraftfulla och ihållande supermassiva svarta hål som sitter i centrum av galaxer som också är värdar för stjärnor, som är mycket svagare i jämförelse med deras bländande kärnor.
Det har varit en stor utmaning att skilja ljuset från en kvasars centrala svarta hål från ljuset från värdgalaxens stjärnor. Uppgiften är lite som att urskilja ett fält av eldflugor runt en central, massiv strålkastare. Men under de senaste åren har astronomerna haft en mycket bättre chans att göra det i och med lanseringen av NASA:s James Webb Space Telescope (JWST), som har kunnat kika längre tillbaka i tiden, och med mycket högre känslighet och upplösning, än något befintligt observatorium.
I sin nya studie använde Yue och Eilers dedikerad tid på JWST för att observera sex kända, gamla kvasarer, intermittent från hösten 2022 till följande vår. Totalt samlade teamet in mer än 120 timmars observationer av de sex avlägsna objekten.
”Kvasaren överglänser sin värdgalax med flera storleksordningar. Och tidigare bilder var inte tillräckligt skarpa för att man skulle kunna urskilja hur värdgalaxen med alla sina stjärnor ser ut”, säger Yue. ”Nu kan vi för första gången avslöja ljuset från dessa stjärnor genom att mycket noggrant modellera JWST:s mycket skarpare bilder av dessa kvasarer.”
En ljus balans
Teamet inventerade de bilddata som samlats in av JWST för var och en av de sex avlägsna kvasarerna, som de uppskattade vara cirka 13 miljarder år gamla. I dessa data ingick mätningar av varje kvasars ljus i olika våglängder. Forskarna matade in dessa data i en modell för hur mycket av ljuset som sannolikt kommer från en kompakt ”punktkälla”, till exempel ett centralt svart håls ackretionsskiva, jämfört med en mer diffus källa, till exempel ljus från värdgalaxens omgivande, spridda stjärnor.
Genom denna modellering kunde teamet dela upp varje kvasars ljus i två komponenter: ljuset från det centrala svarta hålets lysande skiva och ljuset från värdgalaxens mer diffusa stjärnor. Mängden ljus från båda källorna är en återspegling av deras totala massa. Forskarna uppskattar att för dessa kvasarer var förhållandet mellan massan hos det centrala svarta hålet och massan hos värdgalaxen cirka 1:10. Detta, insåg de, stod i skarp kontrast till dagens massbalans på 1:1.000, där mer nyligen bildade svarta hål är mycket mindre massiva jämfört med sina värdgalaxer.
”Detta säger oss något om vad som växer först: Är det det svarta hålet som växer först, och sedan kommer galaxen ikapp? Eller är det galaxen och dess stjärnor som växer först och som dominerar och reglerar det svarta hålets tillväxt?” Eilers förklarar. ”Vi ser att svarta hål i det tidiga universum verkar växa snabbare än sina värdgalaxer. Det är ett preliminärt bevis för att de första svarta hålens frön kan ha varit mer massiva då.”
”Det måste ha funnits någon mekanism som gjorde att ett svart hål fick sin massa tidigare än sin värdgalax under de första miljarder åren”, tillägger Yue. ”Det här är de första bevisen vi ser för detta, vilket är spännande.”
Ytterligare information: Minghao Yue et al, EIGER. V. Characterizing the Host Galaxies of Luminous Quasars at z ≳ 6, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad3914
