Toen het universum nog jong was, een superzwaar zwart gat - opgeblazen tot het barstpunt met een verbazingwekkende kracht - bracht een straal van met deeltjes doordrenkte energie naar buiten die met bijna de snelheid van het licht door de uitgestrektheid van de ruimte raasde.

Miljarden jaren later, een drietal wetenschappers van Clemson University, onder leiding van College of Science astrofysicus Marco Ajello, heeft dit zwarte gat geïdentificeerd en vier soortgelijke soortgelijke die in leeftijd variëren van 1,4 miljard tot 1,9 miljard jaar oud. Deze objecten zenden overvloedige gammastraling uit, licht van de hoogste energie, die miljarden keren energieker zijn dan licht dat zichtbaar is voor het menselijk oog.

De voorheen bekende vroegste gammastraling - een type melkwegstelsel waarvan de intense emissie wordt aangedreven door extreem krachtige relativistische jets gelanceerd door monsterlijke zwarte gaten - waren meer dan 2 miljard jaar oud. Momenteel, het heelal wordt geschat op ongeveer 14 miljard jaar oud.

"De ontdekking van deze superzware zwarte gaten, die jets lanceren die in één seconde meer energie uitstoten dan onze zon in zijn hele leven zal produceren, was het hoogtepunt van een onderzoeksproject van een jaar, " zei Ajello, die een groot deel van zijn carrière heeft besteed aan het bestuderen van de evolutie van verre sterrenstelsels. "Onze volgende stap is om ons begrip van de mechanismen die betrokken zijn bij de vorming te vergroten, ontwikkeling en activiteiten van deze verbazingwekkende objecten, die de krachtigste versnellers in het universum zijn. We kunnen niet eens in de buurt komen van het repliceren van zulke enorme hoeveelheden energie in onze laboratoria. De complexiteit die we proberen te ontrafelen lijkt bijna net zo mysterieus als de zwarte gaten zelf."

Ajello voerde zijn onderzoek uit in samenwerking met Clemson post-doc Vaidehi Paliya en promovendus Lea Marcotulli. Het trio werkte nauw samen met de Fermi-Large Area Telescope-samenwerking, dat is een internationaal team van wetenschappers waaronder Roopesh Ojha, een astronoom bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland; en Dario Gasparrini van de Italiaanse ruimtevaartorganisatie. Hun wetenschappelijke artikel getiteld "Gamma-Ray Blazars Within the First 2 Billion Years" werd maandag gepubliceerd in een tijdschrift genaamd Astrofysische journaalbrieven . (Ackermann, M., et al. 2017, ApJL , 837, L5.)

De doorbraken van het Clemson-team werden mogelijk gemaakt door recent verbeterde software op NASA's Fermi Gamma-ray Telescope. De opgeknapte software verhoogde de gevoeligheid van de in een baan om de aarde draaiende telescoop aanzienlijk tot een niveau dat deze nieuwste ontdekkingen mogelijk maakte.

"Mensen noemen het de goedkoopste renovatie in de geschiedenis, "Zei Ajello. "Normaal gesproken, voor de Hubble-ruimtetelescoop, NASA moest iemand de ruimte in sturen om dit soort verbeteringen fysiek aan te brengen. Maar in dit geval, ze waren in staat om het op afstand te doen vanaf een locatie aan de aarde. En even belangrijk, de verbeteringen waren met terugwerkende kracht, wat betekende dat de gegevens van de afgelopen zes jaar ook volledig opnieuw werden verwerkt. Dit hielp ons de informatie te verstrekken die we nodig hadden om de eerste stap van ons onderzoek te voltooien en ook om verder te gaan in het leerproces."

Met behulp van Fermi-gegevens, Ajello en Paliya begonnen met een catalogus van 1,4 miljoen quasars, dat zijn sterrenstelsels die in hun centrum actieve superzware zwarte gaten herbergen. In de loop van een jaar, ze beperkten hun zoekopdracht tot 1, 100 voorwerpen. Van deze, vijf werden uiteindelijk vastgesteld als nieuw ontdekte gammastraling-blazars die de verst verwijderde - en jongste - ooit waren geïdentificeerd.

"Na het gebruik van onze filters en andere apparaten, we hadden er nog ongeveer 1, 100 bronnen. En toen deden we de diagnostiek voor al deze en waren in staat om ze te beperken tot 25 tot 30 bronnen, ' zei Paliya. 'Maar we moesten nog bevestigen dat wat we hadden ontdekt wetenschappelijk authentiek was. We voerden dus een aantal andere simulaties uit en konden eigenschappen afleiden zoals de massa van een zwart gat en het vermogen van jets. uiteindelijk, we hebben bevestigd dat deze vijf bronnen gegarandeerd gammastraling waren, met de verste ongeveer 1,4 miljard jaar oud vanaf het begin der tijden."

Marcotulli, die in 2016 bij Ajello's groep kwam als doctoraatsstudent, heeft de mechanismen van de blazars bestudeerd met behulp van afbeeldingen en gegevens die zijn geleverd door een andere NASA-telescoop in een baan om de aarde, de Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR). Aanvankelijk, De rol van Marcotulli was om het emissiemechanisme van gammastralingsblazars dichter bij ons te begrijpen. Nu richt ze haar aandacht op de meest verre objecten in een zoektocht om te begrijpen wat ze zo krachtig maakt.

"We proberen het volledige spectrum van de energieverdeling van deze objecten te begrijpen door fysieke modellen te gebruiken, " zei Marcotulli. "We zijn momenteel in staat om te modelleren wat er veel nauwkeuriger gebeurt dan eerder werd bedacht, en uiteindelijk zullen we beter kunnen begrijpen welke processen in de jets plaatsvinden en welke deeltjes alle energie uitstralen die we zien. Zijn het elektronen? Of protonen? Hoe interageren ze met omringende fotonen? Al deze parameters worden op dit moment niet volledig begrepen. Maar elke dag verdiepen we ons begrip."

Alle sterrenstelsels hebben zwarte gaten in hun centrum - sommige voeden zich actief met de materie om hen heen, anderen liggen relatief slapend. Ons eigen melkwegstelsel heeft in het centrum een ​​supergroot zwart gat dat momenteel inactief is. Ajello zei dat slechts één op de tien zwarte gaten in het universum van vandaag actief is. Maar toen het universum veel jonger was, het was dichter bij een verhouding van 50-50.

De superzware zwarte gaten in het centrum van de vijf nieuw ontdekte blazarstelsels behoren tot de grootste soorten zwarte gaten die ooit zijn waargenomen, in de orde van honderdduizenden tot miljarden keren de massa van onze eigen zon. En hun bijbehorende accretieschijven - roterende wervelingen van materie die rond de zwarte gaten draaien - stoten meer dan twee biljoen keer de energie-output van onze zon uit.

Een van de meest verrassende elementen van Ajello's onderzoek is hoe snel - door kosmische maatregelen - deze supergrote zwarte gaten in slechts 1,4 miljard jaar moeten zijn gegroeid. In termen van onze huidige kennis van hoe zwarte gaten groeien, 1,4 miljard jaar is nauwelijks genoeg tijd voor een zwart gat om de massa te bereiken van degene die door het team van Ajello zijn ontdekt.

"Hoe zijn deze onbegrijpelijk enorme en met energie beladen zwarte gaten zo snel ontstaan?" zei Ajello. "Is het omdat een zwart gat heel lang heel veel at? Of misschien omdat het tegen andere zwarte gaten botste en opging in één? Om eerlijk te zijn, we hebben geen observaties die beide argumenten ondersteunen. Er zijn mechanismen aan het werk die we nog moeten ontrafelen. Puzzels die we nog moeten oplossen. Als we ze uiteindelijk oplossen, we zullen verbazingwekkende dingen leren over hoe het universum werd geboren, hoe het is uitgegroeid tot wat het is geworden, en wat de verre toekomst zou kunnen brengen als het heelal doorgaat met het bereiken van ouderdom."