science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Astronomen ontdekken monster-quasar uit het vroege heelal

Een artistieke impressie van de quasar Pōniuāʻena, de eerste quasar die een inheemse Hawaiiaanse naam kreeg. Krediet:International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

Astronomen hebben de meest massieve quasar ontdekt die bekend is in het vroege heelal, met daarin een monsterlijk zwart gat met een massa gelijk aan 1,5 miljard zonnen. Formeel aangeduid als J1007+2115, de nieuw ontdekte quasar is een van de slechts twee die bekend zijn uit dezelfde kosmologische periode. Quasars zijn de meest energetische objecten in het universum, en sinds hun ontdekking, astronomen wilden graag bepalen wanneer ze voor het eerst in onze kosmische geschiedenis verschenen.

Ter ere van zijn ontdekking via telescopen op Maunakea, een berg vereerd in de Hawaiiaanse cultuur, de quasar kreeg de Hawaiiaanse naam Pōniuāʻena, wat betekent "ongeziene draaiende bron van schepping, omgeven met schittering." Het is de eerste quasar die een inheemse naam ontvangt, die is gemaakt door 30 Hawaiiaanse onderdompelingsschoolleraren tijdens een workshop onder leiding van de A Hua He Inoa-groep, een Hawaiiaans naamgevingsprogramma onder leiding van het 'Imiloa Astronomy Center of Hawai'i.

Volgens de huidige theorie quasars worden aangedreven door superzware zwarte gaten. Terwijl de zwarte gaten omringende materie zoals stof opslokken, gas of zelfs hele sterren, ze stoten enorme hoeveelheden energie uit, resulterend in lichtsterkten waarvan bekend is dat ze hele sterrenstelsels overtreffen.

Het superzware zwarte gat dat Pōniuāʻena aandrijft, maakt deze quasar de verste, en daarom vroeg object waarvan bekend is dat het een zwart gat herbergt met een massa van meer dan 1 miljard zonsmassa's. Volgens een nieuwe studie die de ontdekking van de quasar documenteert, het licht van Pōniuāʻena deed er 13,02 miljard jaar over om de aarde te bereiken en begon zijn reis slechts 700 miljoen jaar na de oerknal.

"Het is het vroegste monster van deze soort dat we kennen, " zei Jinyi Yang, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan het Steward Observatory van de Universiteit van Arizona en hoofdauteur van de studie, die zal worden gepubliceerd in The Astrofysische journaalbrieven . "De tijd was te kort om het te laten groeien van een klein zwart gat tot de enorme omvang die we zien."

De vraag hoe zo'n enorm zwart gat kon ontstaan ​​toen het universum nog in de kinderschoenen stond, heeft astronomen en kosmologen lange tijd gekweld, zei co-auteur Xiaohui Fan, Regents' Professor en associate hoofd van de UArizona Department of Astronomy.

"Deze ontdekking vormt de grootste uitdaging tot nu toe voor de theorie van de vorming en groei van zwarte gaten in het vroege heelal, ' zei Fan.

Het idee dat een zwart gat van Pōniuāʻenas-proporties zou kunnen zijn geëvolueerd uit een veel kleiner zwart gat gevormd door de ineenstorting van een enkele ster in zo'n korte tijd sinds de oerknal is bijna onmogelijk, volgens de huidige kosmologische modellen.

In plaats daarvan, de auteurs van het onderzoek suggereren dat de quasar had moeten beginnen als een "zaad" zwart gat dat al de equivalente massa van 10 bevat, 000 zonnen al 100 miljoen jaar na de oerknal.

Een artistieke impressie van de vorming van de quasar Pōniuā'ena, beginnend met een zaadzwart gat 100 miljoen jaar na de oerknal (links), vervolgens groeiend tot een miljard zonsmassa's 700 miljoen jaar na de oerknal (rechts). Krediet:International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

Een terugblik op een jong universum

Pōniuāʻena werd ontdekt door een systematische zoektocht naar de meest verre quasars. Het begon met het onderzoeksteam dat grote gebiedsonderzoeken doornam, zoals het DECaLS-beeldvormingsonderzoek, die gebruik maakt van de Dark Energy Camera op de Víctor M. Blanco 4-meter Telescope die zich bevindt op het Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chili, en het UHS-beeldvormingsonderzoek, die gebruikmaakt van de groothoekcamera van de Britse infraroodtelescoop, gevestigd in Maunakea.

Het team ontdekte een mogelijke quasar in de gegevens en, in 2019, waargenomen met telescopen, waaronder de Gemini North-telescoop en het W.M. Keck-observatorium, beide op Maunakea. De Magellan-telescoop van het Las Campanas Observatorium in Chili bevestigde het bestaan ​​van Pōniuāʻena.

"Waarnemingen met Gemini waren van cruciaal belang voor het verkrijgen van de hoogwaardige nabij-infraroodspectra die ons voorzagen in de meting van de verbazingwekkende massa van het zwarte gat, " zei co-auteur Feige Wang, een NASA Hubble Fellow bij Steward Observatory.

De ontdekking van een quasar vanaf het begin van de kosmos geeft onderzoekers een zeldzame blik in een tijd waarin het universum nog jong was en heel anders dan wat we vandaag zien, aldus de onderzoekers.

Astronomen hebben de op één na verste quasar ontdekt die ooit is gevonden, met behulp van het internationale Gemini Observatory en Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO). Het is ook de eerste quasar die een inheemse Hawaiiaanse naam heeft gekregen, P?niuā?ena. Krediet:International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/Pete Marenfeld, ESA/Hubble, nasa, M. Kornmesser.Een speciale dank aan A Hua He Inoa en het 'Imiloa Astronomy Center of Hawai?iMusic:zero-project -- The Lower Dungeons (zero-project.gr).

De huidige theorie suggereert dat aan het begin van het heelal, na de oerknal, atomen waren te ver van elkaar verwijderd om te interageren en sterren en sterrenstelsels te vormen. De geboorte van sterren en sterrenstelsels zoals we die kennen, vond plaats tijdens het tijdperk van de reïonisatie, ongeveer 400 miljoen jaar na de oerknal.

"In de nasleep van de oerknal, het heelal was erg koud, omdat er nog geen sterren waren; geen licht, Fan zei. "Het duurde ongeveer 300 tot 400 miljoen jaar voordat de eerste sterren en sterrenstelsels verschenen, en ze begonnen het universum op te warmen."

Onder invloed van verwarming, waterstofmoleculen werden ontdaan van elektronen in een proces dat bekend staat als ionisatie. Dit proces duurde slechts een paar honderd miljoen jaar - een oogwenk in het leven van het universum - en is het onderwerp van doorlopend onderzoek.

De ontdekking van quasars zoals Pōniuāʻena, diep in het tijdperk van de reïonisatie, is een grote stap op weg naar het begrijpen van het proces van reïonisatie en de vorming van vroege superzware zwarte gaten en massieve sterrenstelsels. Pōniuāʻena heeft nieuwe en belangrijke beperkingen opgelegd aan de evolutie van de materie tussen sterrenstelsels, bekend als het intergalactische medium, tijdens het reïonisatietijdperk.

"Deze quasar ziet eruit alsof hij halverwege die periode is gedetecteerd, "Van zei, "en het feit dat we deze objecten kunnen observeren, helpt ons om te verfijnen wat er in die periode is gebeurd."

in 2018, het onderzoeksteam kondigde de ontdekking aan van de verste quasar die tot nu toe is gevonden. Aangeduid als J1342+0928, dat object is 2 miljoen jaar ouder dan Pōniuāʻena - een vrij onbeduidend verschil naar kosmische maatstaven, volgens Fan, die betrokken was bij beide ontdekkingen, die zijn gemaakt met behulp van het internationale Gemini Observatory en Cerro Tololo Inter-American Observatory - beide programma's van het National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory van de National Science Foundation.

"Het verschil van 2 miljoen lichtjaar van de 13 miljard maakt dat vrij dicht bij een gelijkspel, ' zei Fan.