Superzwaar zwart gat daagt kosmologische theorieën uit – 'De spectra waren absoluut verbazingwekkend'

JWST-beelden onthullen een enorme massa Zwart gat In het vroege heelal is het enorm groot vergeleken met zijn gaststelsel en wordt het verduisterd door dik stof.

Door beelden van de James Webb Space Telescope (JWST) te analyseren, heeft een groep astronomen onder leiding van dr. Lukas Furtak en professor Adi Zitrin van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev een extreem rood superzwaar zwart gat met zwaartekrachtlenzen ontdekt in het vroege universum. . De kleuren geven aan dat het zwarte gat zich achter een dikke sluier van stof bevindt die een groot deel van zijn licht blokkeert. Het team was in staat de massa van het zwarte gat te meten en ontdekte dat het, vergeleken met het gaststelsel, veel groter was dan in meer lokale voorbeelden te zien is. Het resultaat werd gepubliceerd in natuur twee weken geleden.

JWST: Het blootleggen van de geheimen van het vroege heelal

De James Webb-ruimtetelescoop, die twee jaar geleden werd gelanceerd, heeft een revolutie teweeggebracht in onze kijk op de vroege vorming van sterrenstelsels. Dit heeft geleid tot de ontdekking van zeer vroege sterrenstelsels met een grotere overvloed en helderheid dan eerder werd verwacht, en heeft een aantal nieuwe soorten objecten onthuld.

Quasar-achtige ontdekking

Een groep astronomen heeft op beelden van de James Webb-ruimtetelescoop iets ontdekt dat lijkt op een quasarachtig lensobject uit het vroege heelal. Quasars zijn heldere, actieve galactische kernen: massieve zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels die actief materie ophopen.

De James Webb-ruimtetelescoop is het volgende grote observatorium voor ruimtewetenschap, ontworpen om openstaande vragen over het universum te beantwoorden en verbazingwekkende ontdekkingen te doen op alle gebieden van de astronomie. Krediet: Northrop Grumman

De kracht van zwaartekrachtlenzen

Door de aangroei van materiaal op het zwarte gat komen grote hoeveelheden straling vrij die het gaststelsel overweldigen, wat resulteert in een helder, compact, sterachtig uiterlijk. De JWST-beelden waarin Vortak en Zitrin het object identificeerden, zijn gemaakt voor het UNCOVER-programma (hoofdonderzoekers: Ivo Lappé, van de Swinburne University of Technology, en Rachel Besançon, van de Universiteit van Pittsburgh), dat het veld van een cluster van sterrenstelsels in beeld bracht. , Een bel. 2744, tot een ongekende diepte. Omdat de cluster grote hoeveelheden massa bevat, verbuigt hij de ruimtetijd – of de paden van lichtstralen die er dichtbij reizen – waardoor er effectief zwaartekrachtlensvorming ontstaat. Zwaartekrachtlenzen vergroten achtergrondstelsels erachter en stellen astronomen in staat sterrenstelsels verder weg te observeren dan anders mogelijk zou zijn.

Red dot-fenomeen

‘We waren erg opgewonden toen de James Webb-ruimtetelescoop zijn eerste gegevens begon uit te zenden’, zegt dr. Lukas Furtak, een postdoctoraal onderzoeker aan de Ben-Gurion Universiteit en hoofdauteur van de ontdekkingsdocumenten. ‘We waren de gegevens aan het scannen die waren binnengekomen voor het UNCOVER-programma, en drie zeer compacte maar bloeiende objecten vielen op.” “De verschijning ervan als een 'rode stip' deed ons onmiddellijk vermoeden dat het een quasarachtig object was.”

Ontrafel het mysterie

Furtak en de UNCOVER-groep begonnen het object te onderzoeken. “We hebben een digitaal lensmodel gebruikt dat we van de cluster van sterrenstelsels hebben gemaakt om te bepalen dat de drie rode stippen meerdere afbeeldingen moeten zijn van dezelfde achtergrondbron, gezien toen het universum nog maar ongeveer 700 miljoen jaar oud was”, zegt professor Zittrain. , een astronoom aan de Ben Gurion Universiteit en een van de hoofdauteurs van de ontdekkingsartikelen.

Enorme doorbraak

“Analyse van de kleuren van het object gaf aan dat het geen typisch stervormend sterrenstelsel was. Dit ondersteunt de hypothese van een superzwaar zwart gat”, zegt professor Rachel Besançon, van de Universiteit van Pittsburgh en medeleider van het UNCOVER-programma. met zijn kleine formaat heeft het: ‘Wat duidelijk is, is dat het waarschijnlijk een superzwaar zwart gat was, hoewel het nog steeds anders was dan andere quasars die in die vroege tijden aanwezig waren.’ De ontdekking van het rode, compacte object was uniek. Vorig jaar verschenen In de Astrofysisch tijdschrift. Maar dat was nog maar het begin van het verhaal.

Spectrale inzichten en verrassingen

Het team verzamelde vervolgens JWST/NIRSpec-gegevens voor de drie afbeeldingen van de “rode stip” en analyseerde de gegevens. “De spectra waren absoluut verbluffend. Door het signaal van de drie beelden te combineren met de lensvergroting is het resulterende spectrum gelijkwaardig”, zegt professor Ivo Lappé van de Swinburne University of Technology en medeleider van UNCOVER. “Ongeveer 1.700 uur observatie door de James Webb Ruimtetelescoop op een lensloos object, waardoor dit het diepste spectrum is dat ooit door de James Webb Ruimtetelescoop is verkregen van een enkel object in het vroege heelal”, zegt professor Lappé.

“Met behulp van de spectra konden we niet alleen bevestigen dat het compacte rode object een superzwaar zwart gat was en de precieze roodverschuiving ervan meten, maar ook een robuuste schatting van zijn massa krijgen op basis van de breedte van zijn emissielijnen”, zegt hoofdauteur dr. Vortak. “Het gas roteert in het zwaartekrachtveld van het zwarte gat en bereikt zeer hoge snelheden die je in andere delen van sterrenstelsels niet ziet. Door de Dopplerverschuiving wordt het licht dat wordt uitgezonden door de aangroeiende materie rood verschoven aan de ene kant en blauw aan de andere kant, afhankelijk op zijn snelheid.Dit zorgt ervoor dat de emissielijnen in het spectrum breder worden.

De Melkweg werd overweldigd

Maar de meting leidde tot een nieuwe verrassing, gepubliceerd in 2018 natuur Twee weken geleden: de massa van het zwarte gat lijkt erg hoog vergeleken met de massa van zijn gaststelsel.

“Al het licht uit dat sterrenstelsel zou in een gebied moeten passen dat zo klein is als de huidige sterrenhoop. De vergroting die wordt gecreëerd door zwaartekrachtlenzen van de bron heeft ons fantastische grenzen gegeven aan de grootte. Zelfs als alle potentiële sterren in zo'n cluster zouden zijn verpakt een klein gebied zou vormen, zou het zwarte gat uiteindelijk minstens 1% van de totale massa van het systeem vormen. Princeton Universiteit en een van de hoofdauteurs van het recente artikel. “In feite is nu gebleken dat veel andere superzware zwarte gaten in het vroege heelal vergelijkbaar gedrag vertonen, wat leidt tot een aantal interessante perspectieven op de groei van zwarte gaten en gaststelsels, en de interactie daartussen, die nog niet goed wordt begrepen.”

Het kosmische kip-en-ei-dilemma

Astronomen weten niet of zulke superzware zwarte gaten bijvoorbeeld ontstaan ​​uit de overblijfselen van sterren, of misschien uit materiaal dat in het vroege heelal direct in zwarte gaten is ingestort.

“In zekere zin is dit het astrofysische equivalent van het kip-en-ei-probleem”, zegt professor Zittrain. “We weten momenteel niet wat er eerst was: het sterrenstelsel of het zwarte gat, hoe groot de eerste zwarte gaten waren en hoe ze groeiden.”

Toekomstige inzichten van JWST

En aangezien veel van deze “kleine rode stippen” en andere actieve galactische kernen onlangs zijn ontdekt met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop, zullen we hopelijk snel een beter idee krijgen.

Referentie: “Een zwart gat dat hoog genoeg is om de massaverhouding van actieve galactische kernen met lens in het vroege heelal te huisvesten” door Lucas J. Furtak, Ivo Lappi, Adi Zitrin, Jenny E. Groen, Pratika Dayal, Irina Chemerinska, Vasily Kokorev en Tim P. Miller. , Andy de Goulding, Anna de Graaf, Rachel Bezanson, Gabriel B. Brammer, Sam E. Cutler, Joel Leija, Richard Pan, Sedona H. Price, Benji Wang, John R. Weaver, Katherine E. Whittaker, Hakim Atik, Akos Bogdan, Stefan Charlotte, Emma Curtis-Lake, Peter van Dokkum, Ryan Endsley, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Seiji Fujimoto, Karl Glazebrook, Stephanie Juneau, Danilo Marchesini, Michael V. Maceda, Erika Nelson, Pascal A. Ochs, Adele Platt, David J. Seaton, Daniel P. Stark en Christina C. Williams, 14 februari 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07184-8