Een team van astronomen onder leiding van de Universiteit van Arizona heeft een lichtgevende quasar waargenomen op 13,03 miljard lichtjaar van de aarde - de verste quasar die tot nu toe is ontdekt. Daterend uit 670 miljoen jaar na de oerknal, toen het universum slechts 5% van zijn huidige leeftijd was, de quasar herbergt een superzwaar zwart gat dat overeenkomt met de gecombineerde massa van 1,6 miljard zonnen.

Naast het feit dat ze het verst verwijderd zijn - en bij uitbreiding, vroegste quasar bekend, het object is het eerste in zijn soort dat bewijs laat zien van een uitstromende wind van oververhit gas die met een vijfde van de lichtsnelheid uit de omgeving van het zwarte gat ontsnapt. Naast het onthullen van een sterke door quasar aangedreven wind, de nieuwe waarnemingen tonen ook intense stervormingsactiviteit in het gaststelsel waar de quasar, formeel aangeduid als J0313-1806, bevindt.

De onderzoekers presenteren hun bevindingen, die zijn geaccepteerd voor publicatie in Astrofysische journaalbrieven , tijdens een persconferentie en een wetenschappelijke lezing op de 237e bijeenkomst van de American Astronomical Society, die vrijwel zal worden gehouden van 11-15 januari.

De vorige recordhouder onder quasars in het baby-universum werd drie jaar geleden ontdekt. Het UArizona-team heeft ook bijgedragen aan die ontdekking. Men denkt dat quasars het resultaat zijn van superzware zwarte gaten die omringende materie opslokken, zoals gas of zelfs hele sterren, wat resulteert in een maalstroom van oververhitte materie die bekend staat als een accretieschijf die rond het zwarte gat wervelt. Vanwege de enorme energieën die ermee gemoeid zijn, quasars behoren tot de helderste bronnen in de kosmos, vaak overtreffen hun gastheerstelsels.

Hoewel J0313-1806 slechts 20 miljoen lichtjaar verder verwijderd is dan de vorige recordhouder, de nieuwe quasar bevat een superzwaar zwart gat dat twee keer zo zwaar is. Dit markeert een belangrijke vooruitgang voor de kosmologie, omdat het de sterkste beperking tot nu toe vormt voor de vorming van zwarte gaten in het vroege heelal.

"Dit is het vroegste bewijs van hoe een superzwaar zwart gat zijn gastheerstelsel eromheen beïnvloedt, ", zei hoofdauteur Feige Wang van de krant, een Hubble Fellow bij UArizona's Steward Observatory. "Uit waarnemingen van minder verre sterrenstelsels, we weten dat dit moet gebeuren, maar we hebben het nog nooit zo vroeg in het universum zien gebeuren."

Quasars die al miljoenen verzamelden, zo niet miljarden, van zonnemassa's in hun zwarte gaten in een tijd dat het universum nog heel jong was, vormen een uitdaging voor wetenschappers die proberen uit te leggen hoe ze zijn ontstaan ​​​​toen ze er amper de tijd voor hadden. Een algemeen aanvaarde verklaring voor de vorming van een zwart gat houdt in dat een ster aan het einde van zijn leven explodeert als een supernova en instort tot een zwart gat. Wanneer zulke zwarte gaten in de loop van de tijd samensmelten, ze kunnen - theoretisch - uitgroeien tot superzware zwarte gaten. Echter, net zoals het vele levens zou vergen om een ​​pensioenfonds op te bouwen door elk jaar een dollar te storten, quasars in het vroege heelal lijken een beetje op peutermiljonairs; ze moeten hun massa op een andere manier hebben verkregen.

De nieuw ontdekte quasar biedt een nieuwe maatstaf door twee huidige modellen uit te sluiten van hoe superzware zwarte gaten zich in zulke korte tijdschalen vormen. Bij het eerste model massieve sterren die grotendeels uit waterstof bestaan ​​en de meeste andere elementen missen waaruit latere sterren bestaan, inclusief metalen, vormen de eerste generatie sterren in een jong sterrenstelsel en leveren het voedsel voor het ontluikende zwarte gat. Het tweede model omvat dichte sterrenhopen, die van meet af aan instorten in een enorm zwart gat.

Quasar J0313-1806, echter, heeft een zwart gat dat te groot is om te worden verklaard door de bovengenoemde scenario's, volgens het team dat het ontdekte. Het team berekende dat als het zwarte gat in het centrum zich al 100 miljoen jaar na de oerknal zou vormen en zo snel mogelijk zou groeien, het had er nog minstens 10 moeten hebben, 000 zonsmassa's om mee te beginnen.

"Dit vertelt je dat wat je ook doet, het zaad van dit zwarte gat moet door een ander mechanisme zijn gevormd, " zei co-auteur Xiaohui Fan, Regents Professor en associate hoofd van de UArizona Department of Astronomy. "In dit geval, een die grote hoeveelheden oer, koud waterstofgas dat direct instort in een zaadzwart gat."

Omdat dit mechanisme geen volwaardige sterren als grondstof nodig heeft, het is de enige waarmee het superzware zwarte gat van quasar J0313-1806 op zo'n vroeg tijdstip in het heelal kan groeien tot 1,6 miljard zonsmassa's. Dit is wat de nieuwe recordquasar zo waardevol maakt, Ventilator uitgelegd.

"Als je eenmaal naar lagere roodverschuivingen gaat, alle modellen zouden het bestaan ​​van die minder verre en minder massieve quasars kunnen verklaren, " zei hij. "Om het zwarte gat te laten groeien tot de grootte die we zien bij J0313-1806, het zou moeten zijn begonnen met een zwart zaadgat van minimaal 10, 000 zonnemassa's, en dat zou alleen mogelijk zijn in het directe instortingsscenario."

De nieuw ontdekte quasar lijkt een zeldzame blik te werpen op het leven van een melkwegstelsel aan het begin van het universum, toen veel van de melkwegvormende processen die sindsdien zijn vertraagd of gestopt in sterrenstelsels die al veel langer bestaan, nog in volle gang waren .

Volgens de huidige modellen van de evolutie van sterrenstelsels, Superzware zwarte gaten die in hun centrum groeien, zouden de belangrijkste reden kunnen zijn waarom sterrenstelsels uiteindelijk stoppen met het maken van nieuwe sterren. Handelend als een steekvlam van kosmische proporties, quasars blazen hun omgeving fel op, effectief hun gastheerstelsel schoonvegen van veel van het koude gas dat dient als de grondstof waaruit sterren worden gevormd.

"We denken dat die superzware zwarte gaten de reden waren waarom veel van de grote sterrenstelsels op een gegeven moment stopten met het vormen van sterren, " zei Fan. "We nemen deze 'uitdoving' waar bij lagere roodverschuivingen, maar tot nu toe, we wisten niet hoe vroeg dit proces begon in de geschiedenis van het universum. Deze quasar is het vroegste bewijs dat uitdoving in zeer vroege tijden heeft plaatsgevonden."

Door de helderheid van de quasar te meten, Wang's team berekende dat het superzware zwarte gat in zijn centrum het massa-equivalent van 25 zonnen per jaar opneemt, gemiddeld, waarvan wordt gedacht dat dit de belangrijkste reden is voor zijn hoge snelheid hete plasmawind die met relativistische snelheid het melkwegstelsel eromheen blaast. Ter vergelijking, het zwarte gat in het centrum van de Melkweg is grotendeels inactief geworden.

En terwijl de Melkweg sterren vormt in het rustige tempo van ongeveer één zonnemassa per jaar, J0313-1806 produceert 200 zonsmassa's in dezelfde tijdsperiode.

"Dit is een relatief hoge stervormingssnelheid, vergelijkbaar met die waargenomen bij andere quasars van vergelijkbare leeftijd, en het vertelt ons dat het gaststelsel erg snel groeit, ' zei Wang.

"Deze quasars zijn vermoedelijk nog bezig met het bouwen van hun superzware zwarte gaten", voegde Fan eraan toe. "Overuren, de uitstroom van de quasar verwarmt en duwt al het gas uit de melkweg, en dan heeft het zwarte gat niets meer te eten en stopt met groeien. Dit is bewijs over hoe deze vroegste massieve sterrenstelsels en hun quasars groeien."

De onderzoekers verwachten nog enkele quasars uit dezelfde periode te vinden, inclusief potentiële nieuwe recordbrekers, zei Jinyi Yang, de tweede auteur van het rapport, die een Peter A. Strittmatter Fellow is bij het Steward Observatory. Yang en Fan waren aan het observeren met de 6,5 meter lange Magellan Baade-telescoop van het Las Campanas Observatorium in Chili in de nacht dat J0313-1806 werd ontdekt.

"Ons quasar-onderzoek bestrijkt een zeer breed gebied, waardoor we bijna de helft van de lucht kunnen scannen, " zei Yang. "We hebben meer kandidaten geselecteerd die we zullen opvolgen met meer gedetailleerde observaties."

De onderzoekers hopen met toekomstige observaties meer te ontdekken over de geheimen van de quasar, vooral met NASA's James Webb Space Telescope, momenteel gepland voor lancering in 2021.

"Met telescopen op de grond, we kunnen alleen een puntbron zien, Wang zei. "Toekomstige waarnemingen kunnen het mogelijk maken om de quasar in meer detail op te lossen, de structuur van zijn uitstroom laten zien en hoe ver de wind zich in zijn melkwegstelsel uitstrekt, en dat zou ons een veel beter idee geven van zijn evolutiestadium."