Astronomer upptäcker ett extremt rött supermassivt svart hål i det tidiga universum som växer i skuggorna

svart hål

Genom att analysera bilder från James Webb Space Telescope (JWST) har en grupp astronomer under ledning av Dr. Lukas Furtak och Prof. Adi Zitrin från Ben-Gurion University of the Negev upptäckt ett extremt rött, gravitationellt linsat supermassivt svart hål i det tidiga universum. Färgerna tyder på att det svarta hålet ligger bakom en tjock slöja av damm som döljer mycket av dess ljus. Teamet lyckades mäta det svarta hålets massa och upptäckte att det var betydligt mer massivt, jämfört med sin värdgalax, än vad som har setts i mer lokala exempel.

Upptäckten publiceras i Nature.

JWST, som lanserades för två år sedan, har revolutionerat vår syn på tidig galaxbildning. Den har lett till upptäckten av mycket tidiga galaxer i större mängder och med större ljusstyrka än vad som tidigare förutspåddes, och avslöjat några nya typer av objekt.

Gruppen av astronomer hade i JWST-bilder upptäckt vad som verkade vara ett linsliknande kvasarliknande objekt från det tidiga universum. Kvasarer är ljusstarka aktiva galaxkärnor: supertunga svarta hål i galaxernas centrum som aktivt ackumulerar material.

När material ackumuleras i det svarta hålet avges stora mängder strålning som överstrålar värdgalaxen, vilket leder till ett kompakt och ljust, stjärnliknande utseende. JWST-bilderna där Furtak och Zitrin identifierade objektet togs för UNCOVER-programmet, som avbildade fältet för ett kluster av galaxer, Abell 2744, till ett aldrig tidigare skådat djup.

Eftersom klustret innehåller stora mängder massa böjer det rumtiden – eller banorna för ljusstrålar som färdas nära det – och skapar effektivt en gravitationslins. Gravitationslinsen förstorar bakgrundsgalaxerna bakom den och gör det möjligt för astronomer att observera ännu mer avlägsna galaxer än vad som annars vore möjligt.

”Vi var mycket förväntansfulla när JWST började skicka sina första data. Vi skannade de data som anlände till UNCOVER-programmet och tre mycket kompakta men rödblommande objekt stack ut och fångade våra ögon”, säger Dr. Lukas Furtak, postdoktoral forskare vid BGU och huvudförfattare till upptäcktsartiklarna. ”Deras utseende som ’röda prickar’ fick oss omedelbart att misstänka att det var ett kvasarliknande objekt.”

Furtak och UNCOVER-gruppen började undersöka objektet. ”Vi använde en numerisk linsmodell som vi hade konstruerat för galaxklustret för att fastställa att de tre röda prickarna måste vara flera bilder av samma bakgrundskälla, som sågs när universum bara var cirka 700 miljoner år gammalt”, säger professor Zitrin, astronom vid BGU och en av huvudförfattarna till upptäcktsartiklarna.

”Analys av objektets färger indikerade att det inte var en typisk stjärnbildande galax. Detta gav ytterligare stöd åt hypotesen om ett supertungt svart hål”, säger professor Rachel Bezanson, från University of Pittsburgh och medansvarig för UNCOVER-programmet. ”Tillsammans med dess kompakta storlek blev det uppenbart att detta sannolikt var ett supermassivt svart hål, även om det fortfarande skilde sig från andra kvasarer som hittades vid dessa tidiga tidpunkter”, tillade professor Bezanson. Upptäckten av det unikt röda och kompakta objektet publicerades förra året i Astrophysical Journal. Men det var bara början på historien.

Teamet samlade sedan in JWST/NIRSpec-data från de tre bilderna av den ”röda pricken” och analyserade dem. ”Spektren var helt fantastiska”, säger professor Ivo Labbé, från Swinburne University of Technology och medansvarig för UNCOVER-programmet, ”Genom att kombinera signalen från de tre bilderna tillsammans med linsförstoringen motsvarar det resulterande spektrumet ~1700 observationstimmar av JWST på ett olinserat objekt, vilket gör det till det djupaste spektrum som JWST har fått för ett enda objekt i det tidiga universum.”

”Med hjälp av spektrumen 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 från bredden på dess emissionslinjer”, säger huvudförfattaren Dr. Furtak. ”Gasen kretsar i det svarta hålets gravitationsfält och uppnår mycket höga hastigheter som inte kan ses i andra delar av galaxerna. På grund av dopplerförskjutningen är ljuset från det accreterande materialet rödförskjutet på ena sidan och blåförskjutet på den andra sidan, beroende på dess hastighet. Detta gör att emissionslinjerna i spektrumet blir bredare.”

Men mätningen ledde till ännu en överraskning: Det svarta hålets massa verkar vara överdrivet hög jämfört med värdgalaxens massa.

”Allt ljus från den galaxen måste rymmas inom en liten region som är lika stor som ett nutida stjärnkluster. Den gravitationella linsförstoringen av källan gav oss utsökta gränser för storleken. Även om man packar in alla möjliga stjärnor i en så liten region blir det svarta hålet till slut minst 1% av systemets totala massa”, säger professor Jenny Greene från 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 leder till några spännande synsätt på svarta hål och värdgalaxers tillväxt, och samspelet mellan dem, vilket inte är väl förstått.”

Astronomerna 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.

”På sätt och vis är detta den astrofysiska motsvarigheten till problemet med hönan och ägget”, säger professor Zitrin. ”För närvarande vet vi inte vad som kom först – galaxen eller det svarta hålet, hur massiva de första svarta hålen var och hur de växte.”

Eftersom många fler sådana ”små röda prickar” och andra aktiva galaxkärnor nyligen har upptäckts med JWST, kommer vi förhoppningsvis snart att få en bättre uppfattning.

Ytterligare information: Lukas J. Furtak et al, A high black hole to host mass ratio in a lensed AGN in the early Universe, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07184-8

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.