Een team van astronomen, waaronder twee van MIT, heeft het verste superzware zwarte gat ontdekt dat ooit is waargenomen. Het zwarte gat bevindt zich in het centrum van een ultraheldere quasar, waarvan het licht slechts 690 miljoen jaar na de oerknal werd uitgestraald. Dat licht heeft er ongeveer 13 miljard jaar over gedaan om ons te bereiken - een tijdspanne die bijna gelijk is aan de leeftijd van het universum.

Er wordt gemeten dat het zwarte gat ongeveer 800 miljoen keer zo zwaar is als onze zon - een Goliath naar moderne maatstaven en een relatieve anomalie in het vroege heelal.

"Dit is het enige object dat we uit deze tijd hebben waargenomen, " zegt Robert Simcoe, de Francis L. Friedman hoogleraar natuurkunde aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van het MIT. "Het heeft een extreem hoge massa, en toch is het universum zo jong dat dit ding niet zou moeten bestaan. Het heelal was gewoon niet oud genoeg om zo'n groot zwart gat te maken. Het is heel raadselachtig."

Wat de intrige van het zwarte gat nog vergroot, is de omgeving waarin het zich heeft gevormd:de wetenschappers hebben afgeleid dat het zwarte gat vorm kreeg op het moment dat het universum een ​​fundamentele verschuiving onderging, van een ondoorzichtige omgeving die gedomineerd wordt door neutrale waterstof naar een omgeving waarin de eerste sterren begonnen te knipperen. Naarmate er meer sterren en sterrenstelsels werden gevormd, ze genereerden uiteindelijk genoeg straling om waterstof van neutraal te veranderen, een toestand waarin de elektronen van waterstof zijn gebonden aan hun kern, geïoniseerd, waarin de elektronen worden vrijgelaten om willekeurig te recombineren. Deze verschuiving van neutrale naar geïoniseerde waterstof betekende een fundamentele verandering in het universum die tot op de dag van vandaag voortduurt.

Het team gelooft dat het nieuw ontdekte zwarte gat bestond in een omgeving die ongeveer half neutraal was, half geïoniseerd.

"Wat we hebben gevonden, is dat het universum ongeveer 50/50 was - het is een moment waarop de eerste sterrenstelsels uit hun cocons van neutraal gas tevoorschijn kwamen en hun weg naar buiten begonnen te schijnen, "zegt Simcoe. "Dit is de meest nauwkeurige meting van die tijd, en een echte indicatie van wanneer de eerste sterren aangingen."

Simcoe en postdoc Monica L. Turner zijn de co-auteurs van het MIT van een paper waarin de resultaten worden beschreven, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur . De andere hoofdauteurs zijn van de Carnegie Institution for Science, in Pasadena, Californië.

Een shift, met hoge snelheid

Het zwarte gat werd ontdekt door Eduardo Bañados, een astronoom in Carnegie, die het object vond tijdens het kammen door meerdere hemelonderzoeken, of kaarten van het verre heelal. Bañados was in het bijzonder op zoek naar quasars - enkele van de helderste objecten in het universum, die bestaan ​​uit een superzwaar zwart gat omgeven door wervelende, aangroeiende schijven van materie.

Na het identificeren van verschillende interessante objecten, Bañados richtte zich op hen met behulp van een instrument dat bekend staat als FIRE (de Folded-port InfraRed Echellette), die werd gebouwd door Simcoe en werkt met de Magellan-telescopen met een diameter van 6,5 meter in Chili. FIRE is een spectrometer die objecten classificeert op basis van hun infraroodspectra. Het licht van heel ver, vroege kosmische objecten verschuiven naar rodere golflengten op hun reis door het universum, als het heelal uitdijt. Astronomen noemen dit Doppler-achtige fenomeen "roodverschuiving"; hoe verder een object, hoe verder het licht naar het rood is verschoven, of infrarood uiteinde van het spectrum. Hoe hoger de roodverschuiving van een object, hoe verder weg, zowel in ruimte als tijd.

VUUR gebruiken, het team identificeerde een van de objecten van Bañados als een quasar met een roodverschuiving van 7,5, wat betekent dat het object ongeveer 690 miljoen jaar na de oerknal licht uitstraalde. Gebaseerd op de roodverschuiving van de quasar, de onderzoekers berekenden de massa van het zwarte gat in het midden en bepaalden dat het ongeveer 800 miljoen keer de massa van de zon is.

"Iets zorgt ervoor dat gas in de quasar met zeer hoge snelheid rondgaat, en het enige fenomeen dat we kennen dat zulke snelheden bereikt, is een baan rond een superzwaar zwart gat, ' zegt Simkoe.

Toen de eerste sterren aangingen

De nieuw geïdentificeerde quasar lijkt een cruciaal moment in de geschiedenis van het universum te bewonen. Onmiddellijk na de oerknal, het universum leek op een kosmische soep van hete, extreem energetische deeltjes. Toen het heelal snel uitdijde, deze deeltjes koelden af ​​en vloeiden samen tot neutraal waterstofgas tijdens een tijdperk dat soms de donkere middeleeuwen wordt genoemd - een periode zonder enige lichtbron. Eventueel, zwaartekracht condenseerde materie tot de eerste sterren en sterrenstelsels, die op hun beurt licht produceerden in de vorm van fotonen. Naarmate meer sterren in het heelal aangingen, hun fotonen reageerden met neutrale waterstof, het gas ioniseren en het begin van wat bekend staat als het tijdperk van re-ionisatie.

Simkoe, Banado's, en hun collega's geloven dat de nieuw ontdekte quasar bestond tijdens deze fundamentele overgang, net op het moment dat het universum een ​​drastische verschuiving onderging in zijn meest voorkomende element.

Met FIRE hebben de onderzoekers vastgesteld dat een groot deel van de waterstof rond de quasar neutraal is. Ze extrapoleerden daaruit om te schatten dat het universum als geheel waarschijnlijk ongeveer half neutraal en half geïoniseerd was op het moment dat ze de quasar waarnamen. Van dit, ze concludeerden dat sterren in deze tijd begonnen te draaien, 690 miljoen jaar na de oerknal.

"Dit draagt ​​bij aan ons begrip van ons universum in het algemeen, omdat we dat moment hebben geïdentificeerd waarop het universum zich midden in deze zeer snelle overgang van neutraal naar geïoniseerd bevindt, " zegt Simcoe. "We hebben nu de meest nauwkeurige metingen tot nu toe van toen de eerste sterren aangingen."

Er is één groot mysterie dat nog moet worden opgelost:hoe is zo vroeg in de geschiedenis van het universum een ​​zwart gat van zulke enorme proporties ontstaan? Men denkt dat zwarte gaten groeien door te groeien, of het absorberen van massa uit de omgeving. Extreem grote zwarte gaten, zoals die geïdentificeerd door Simcoe en zijn collega's, zouden moeten vormen over perioden die veel langer zijn dan 690 miljoen jaar.

"Als je begint met een zaadje zoals een grote ster, en laat het groeien met de maximaal mogelijke snelheid, en beginnen op het moment van de oerknal, je zou nooit iets kunnen maken met 800 miljoen zonsmassa's - het is onrealistisch, "zegt Simcoe. "Dus er moet een andere manier zijn waarop het gevormd is. En hoe dat precies gaat, niemand weet het."