Zwarte gaten en quasars ontstonden minder dan een miljard jaar na de oerknal

Er lijken superzware zwarte gaten te bestaan ​​in het centrum van elk sterrenstelsel, die teruggaan tot enkele van de eerste sterrenstelsels in het universum. We hebben geen idee hoe ze daar terecht zijn gekomen. Het zou voor hen niet mogelijk moeten zijn om zo snel van supernovaresten tot enorme afmetingen te groeien. We zijn ons niet bewust van enig ander mechanisme dat iets zou kunnen vormen dat zo groot is dat exponentiële groei niet nodig zou zijn.

De schijnbare onmogelijkheid van superzware zwarte gaten in het vroege heelal was al een probleem; De James Webb-ruimtetelescoop heeft de zaken nog erger gemaakt door eerdere voorbeelden te vinden van sterrenstelsels met superzware zwarte gaten. In het laatste voorbeeld gebruikten onderzoekers Webb om een ​​quasar te karakteriseren die wordt aangedreven door een superzwaar zwart gat, zoals deze ongeveer 750 miljoen jaar na de oerknal bestond. En het ziet er schrikbarend normaal uit.

Terugkijkend in de tijd

Quasars zijn de helderste objecten in het universum, actief gevoed door superzware zwarte gaten. Het sterrenstelsel om hen heen voorziet hen van voldoende materiaal om heldere accretieschijven en krachtige jets te vormen, die beide grote hoeveelheden straling uitzenden. Ze zijn vaak gedeeltelijk bedekt door stof, dat gloeit als gevolg van het absorberen van een deel van de energie die door het zwarte gat wordt uitgezonden. Deze quasars zenden zoveel straling uit dat ze uiteindelijk een deel van het nabijgelegen materiaal volledig uit de Melkweg duwen.

De aanwezigheid van deze kenmerken in het vroege heelal zou ons dus vertellen dat superzware zwarte gaten niet alleen in het vroege heelal bestonden, maar ook in recentere sterrenstelsels waren opgenomen. Maar hun studies waren erg moeilijk. Om te beginnen hebben we er niet veel van geïdentificeerd; Er zijn slechts negen quasars die dateren van vóór de tijd dat het universum 800 miljoen jaar oud was. Vanwege deze afstand zijn kenmerken moeilijk waar te nemen, en de roodverschuiving die wordt veroorzaakt door de uitdijing van het heelal neemt de intense ultraviolette straling van veel elementen op en breidt deze uit naar het diepe infrarood.

De Webb-telescoop is echter specifiek ontworpen om objecten in het vroege heelal te detecteren door zijn gevoeligheid voor de infrarode golflengten waar deze straling verschijnt. Het nieuwe onderzoek is dus gebaseerd op het wijzen van Webb op de eerste van de negen ontdekte quasars, J1120+0641.

En het ziet er… opmerkelijk normaal uit. Of in ieder geval zeer vergelijkbaar met quasars uit recentere perioden in de geschiedenis van het universum.

Meestal normaal

De onderzoekers analyseerden de continuïteit van de straling van de quasar en vonden duidelijke aanwijzingen dat deze was ingebed in een massa heet, stoffig materiaal, zoals te zien was in latere quasars. Dit stof is iets heter dan sommige moderne quasars, maar dit lijkt een gemeenschappelijk kenmerk te zijn van deze objecten in de vroege stadia van de geschiedenis van het universum. Straling van de accretieschijf komt ook voor in het emissiespectrum.

Verschillende methoden voor het schatten van massaproductiewaarden voor een zwart gat in de buurt van 10⁹ Vele malen de massa van de zon, wat duidelijk aangeeft dat deze zich in het gebied van het superzware zwarte gat bevindt. Er zijn ook aanwijzingen, uit een lichte blauwverschuiving in een deel van de straling, dat de quasar materiaal wegblaast met een snelheid van ongeveer 350 kilometer per seconde.

Er zijn een paar eigenaardigheden. De eerste is dat het materiaal ook met ongeveer 300 kilometer per seconde naar binnen lijkt te vallen. Dit kan worden veroorzaakt doordat materiaal in de accretieschijf van ons af draait. Maar als dat zo is, moet er materiaal aan de andere kant van de schijf naar ons toe draaien. Dit is al verschillende keren waargenomen bij zeer vroege quasars, maar de onderzoekers erkennen dat “de fysieke oorsprong van dit effect onbekend is.”

Eén optie die zij als verklaring aanvoeren is dat de hele quasar in beweging is, geschud uit zijn positie in het galactische centrum door een eerdere fusie met een ander superzwaar zwart gat.

Een ander vreemd ding is dat er ook een extreem snelle stroom van sterk geïoniseerde koolstof is, die twee keer zo snel beweegt als in quasars op latere tijdstippen. We hebben dit eerder gezien, maar er is ook geen verklaring voor.

Hoe is dit gebeurd?

Ondanks de eigenaardigheden lijkt dit object sterk op recente quasars: “Onze waarnemingen laten zien dat de complexe structuren van de stoffige torus en [accretion disk] Kan zichzelf bewijzen rond een [supermassive black hole] “Minder dan 760 miljoen na de oerknal.”

Nogmaals, dit is een beetje een probleem, omdat het de aanwezigheid suggereert van een superzwaar zwart gat, ingebed in zijn gaststelsel, al heel vroeg in de geschiedenis van het universum. Om de hier getoonde afmetingen te bereiken, duwen zwarte gaten zich tegen de zogenaamde Eddington-limiet, de hoeveelheid materiaal die ze kunnen binnenhalen voordat de resulterende straling nabijgelegen materiaal verdrijft, waardoor de voedselvoorraad van het zwarte gat wordt verstikt.

Dit suggereert twee opties. De eerste is dat deze objecten gedurende het grootste deel van hun geschiedenis materiaal tot ver voorbij de Eddington-limiet hebben geabsorbeerd, iets wat we niet hebben waargenomen en zeker niet waar is voor deze quasar. De andere optie is dat ze enorm begonnen (rond 10.00 uur).⁴ maal de massa van de zon) en bleven zich in een redelijker tempo voeden. Maar we weten niet echt hoe zoiets groots zou kunnen ontstaan.

Daarom blijft het vroege heelal een enigszins verwarrende plek.

Natuurlijke astronomie, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Over digitale ID’s).