Ett internationellt team av astronomer, ledda av Cosmic Frontier Center vid University of Texas i Austin, har identifierat det mest avlägset belägna svarta hål som någonsin har bekräftats. Det och den galax där det finns, CAPERS-LRD-z9, finns 500 miljoner år efter Big Bang. Det placerar det 13,3 miljarder år tillbaka i tiden, när vårt universum bara var 3 % av sin nuvarande ålder. Detta ger en unik möjlighet att studera strukturen och utvecklingen av denna gåtfulla period.
”När man letar efter svarta hål är detta så långt tillbaka man praktiskt taget kan gå. Vi utmanar verkligen gränserna för vad dagens teknik kan upptäcka”, säger Anthony Taylor, postdoktorand vid Cosmic Frontier Center och ledare för teamet som gjorde upptäckten.
Forskningen är publicerad i The Astrophysical Journal.
”Astronomer har hittat några få, mer avlägset belägna kandidater”, tillägger Steven Finkelstein, medförfattare till artikeln och direktör för Cosmic Frontier Center, ”men de har ännu inte hittat den distinkta spektroskopiska signatur som är förknippad med ett svart hål.”
Med spektroskopi delar astronomer upp ljuset i dess många våglängder för att studera ett objekts egenskaper. För att identifiera svarta hål letar de efter tecken på snabbt rörlig gas. När den cirkulerar och faller in i ett svart hål sträcks ljuset från gasen som rör sig bort från oss till mycket rödare våglängder, och ljuset från gasen som rör sig mot oss komprimeras till mycket blåare våglängder.
”Det finns inte många andra saker som skapar denna signatur”, förklarade Taylor. ”Och den här galaxen har den.”
Teamet använde data från James Webb Space Telescopes CAPERS-program (CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey) för sin sökning. JWST, som lanserades 2021, ger de mest långtgående vyerna av rymden som finns tillgängliga, och CAPERS tillhandahåller observationer av den yttersta kanten.
”Det första målet med CAPERS är att bekräfta och studera de mest avlägset belägna galaxerna”, säger Mark Dickinson, medförfattare till artikeln och ledare för CAPERS-teamet. ”JWST-spektroskopi är nyckeln till att bekräfta deras avstånd och förstå deras fysikaliska egenskaper.”
CAPERS-LRD-z9, som initialt sågs som en intressant fläck i programmets bilder, visade sig vara en del av en ny klass av galaxer som kallas ”Little Red Dots”. Dessa galaxer, som endast fanns under de första 1,5 miljarder åren av universums existens, är mycket kompakta, röda och oväntat ljusa.
”Upptäckten av Little Red Dots var en stor överraskning i de tidiga JWST-data, eftersom de inte alls liknade galaxer som setts med Hubble-teleskopet”, förklarar Finkelstein. ”Nu är vi i färd med att ta reda på hur de ser ut och hur de har uppstått.”
CAPERS-LRD-z9 kan hjälpa astronomerna att göra just det.
För det första stärker denna galax de växande bevisen för att supermassiva svarta hål är källan till den oväntade ljusstyrkan i Little Red Dots. Vanligtvis skulle den ljusstyrkan tyda på en rikedom av stjärnor i en galax. Little Red Dots existerar dock vid en tidpunkt då en så stor massa av stjärnor är osannolik.
Å andra sidan lyser svarta hål också starkt. Det beror på att de komprimerar och värmer upp det material de konsumerar, vilket skapar enormt mycket ljus och energi. Genom att bekräfta förekomsten av ett sådant i CAPERS-LRD-z9 har astronomerna hittat ett slående exempel på detta samband i Little Red Dots.
Den nyupptäckta galaxen kan också hjälpa till att besvara frågan om vad som orsakar den distinkta röda färgen i Little Red Dots. Det kan bero på ett tjockt moln av gas som omger det svarta hålet och som förvränger ljuset till rödare våglängder när det passerar igenom.
”Vi har sett dessa moln i andra galaxer”, förklarade Taylor. ”När vi jämförde detta objekt med de andra källorna var det en exakt kopia.”
Denna galax är också anmärkningsvärd för hur kolossalt dess svarta hål är. Det uppskattas vara upp till 300 miljoner gånger större än vår sol, och dess massa uppgår till hälften av alla stjärnor i galaxen. Även bland supermassiva svarta hål är detta särskilt stort.
Att hitta ett så massivt svart hål så tidigt ger astronomer en värdefull möjlighet att studera hur dessa objekt utvecklats. Ett svart hål som finns i det senare universum har haft många möjligheter att växa under sin livstid. Men ett som finns i de första hundra miljoner åren har inte haft det.
”Detta stärker de växande bevisen för att tidiga svarta hål växte mycket snabbare än vi trodde var möjligt”, säger Finkelstein. ”Eller så var de mycket massivare från början än våra modeller förutspår.”
För att fortsätta sin forskning om CAPERS-LRD-z9 hoppas teamet kunna samla in fler observationer med högre upplösning med hjälp av JWST. Detta skulle kunna ge större insikt om det och om den roll svarta hål spelade i utvecklingen av Little Red Dots.
”Detta är ett bra testobjekt för oss”, säger Taylor. ”Vi har inte kunnat studera tidiga svarta håls utveckling förrän nyligen, och vi är spända på att se vad vi kan lära oss av detta unika objekt.”
Mer information: Anthony J. Taylor et al, CAPERS-LRD-z9: A Gas-enshrouded Little Red Dot Hosting a Broad-line Active Galactic Nucleus at z = 9.288, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ade789
