Astronomen uit Japan, Taiwan en Princeton University hebben in het verre heelal 83 quasars ontdekt die worden aangedreven door superzware zwarte gaten. uit een tijd dat het universum minder dan 10 procent van zijn huidige leeftijd was.

"Het is opmerkelijk dat zulke massieve, dichte objecten zich zo snel na de oerknal konden vormen, " zei Michael Strauss, een professor in astrofysische wetenschappen aan de Princeton University, die een van de co-auteurs van de studie is. "Begrijpen hoe zwarte gaten zich kunnen vormen in het vroege heelal, en hoe gewoon ze zijn, is een uitdaging voor onze kosmologische modellen."

Deze bevinding verhoogt het aantal zwarte gaten dat op dat moment bekend is, aanzienlijk, en onthult, Voor de eerste keer, hoe vaak ze vroeg in de geschiedenis van het universum voorkomen. In aanvulling, het geeft nieuw inzicht in het effect van zwarte gaten op de fysieke toestand van gas in het vroege heelal in de eerste miljard jaar. Het onderzoek verschijnt in een reeks van vijf artikelen gepubliceerd in Het astrofysische tijdschrift en de Publicaties van het Astronomisch Observatorium van Japan .

Superzware zwarte gaten, gevonden in de centra van sterrenstelsels, kan miljoenen of zelfs miljarden keren massiever zijn dan de zon. Hoewel ze tegenwoordig veel voorkomen, het is onduidelijk wanneer ze voor het eerst gevormd, en hoeveel er in het verre vroege heelal bestonden. Een superzwaar zwart gat wordt zichtbaar als er gas op aangroeit, waardoor het schittert als een "quasar". Eerdere studies waren alleen gevoelig voor de zeer zeldzame, meest lichtgevende quasars, en dus de meest massieve zwarte gaten. De nieuwe ontdekkingen onderzoeken de populatie zwakkere quasars, aangedreven door zwarte gaten met massa's die vergelijkbaar zijn met de meeste zwarte gaten in het huidige universum.

Het onderzoeksteam gebruikte gegevens die waren genomen met een geavanceerd instrument, "Hyper Suprime-Cam" (HSC), gemonteerd op de Subaru-telescoop van de National Astronomical Observatory van Japan, die is gelegen op de top van Maunakea in Hawaï. HSC heeft een gigantisch gezichtsveld-1,77 graden breed, of zeven keer het oppervlak van de volle maan - gemonteerd op een van de grootste telescopen ter wereld. Het HSC-team onderzoekt de hemel gedurende 300 nachten telescooptijd, gespreid over vijf jaar.

Het team selecteerde verre quasarkandidaten uit de gevoelige HSC-enquêtegegevens. Vervolgens voerden ze een intensieve observatiecampagne uit om spectra van die kandidaten te verkrijgen, met behulp van drie telescopen:de Subaru-telescoop; de Gran Telescopio Canarias op het eiland La Palma op de Canarische Eilanden, Spanje; en de Gemini South Telescope in Chili. Het onderzoek heeft 83 voorheen onbekende zeer verre quasars onthuld. Samen met 17 quasars die al bekend zijn in het onderzoeksgebied, de onderzoekers ontdekten dat er ongeveer één superzwaar zwart gat per kubieke giga-lichtjaar is, met andere woorden, als je het heelal opdeelt in denkbeeldige kubussen die een miljard lichtjaar aan een kant zijn, elk zou één superzwaar zwart gat bevatten.

De steekproef van quasars in deze studie is ongeveer 13 miljard lichtjaar verwijderd van de aarde; met andere woorden, we zien ze zoals ze 13 miljard jaar geleden bestonden. Aangezien de oerknal 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond, we kijken effectief terug in de tijd, het zien van deze quasars en superzware zwarte gaten zoals ze slechts ongeveer 800 miljoen jaar na het ontstaan ​​van het (bekende) universum verschenen.

Het is algemeen aanvaard dat de waterstof in het heelal ooit neutraal was, maar werd 'gereïoniseerd' - opgesplitst in zijn samenstellende protonen en elektronen - rond de tijd dat de eerste generatie sterren, sterrenstelsels en superzware zwarte gaten werden geboren, in de eerste paar honderd miljoen jaar na de oerknal. Dit is een mijlpaal in de kosmische geschiedenis, maar astronomen weten nog steeds niet wat de ongelooflijke hoeveelheid energie opleverde die nodig was om de re-ionisatie te veroorzaken. Een overtuigende hypothese suggereert dat er veel meer quasars in het vroege heelal waren dan eerder ontdekt, en het is hun geïntegreerde straling die het universum opnieuw heeft geïoniseerd.

"Echter, het aantal quasars dat we hebben waargenomen laat zien dat dit niet het geval is, " legde Robert Lupton uit, een 1985 Princeton Ph.D. alumnus die een senior onderzoeker is in de astrofysische wetenschappen. "Het aantal geziene quasars is aanzienlijk minder dan nodig is om de reïonisatie te verklaren." Reïonisatie werd dus veroorzaakt door een andere energiebron, hoogstwaarschijnlijk talrijke sterrenstelsels die zich in het jonge heelal begonnen te vormen.

Het huidige onderzoek werd mogelijk gemaakt door het toonaangevende onderzoeksvermogen van Subaru en HSC. "De quasars die we hebben ontdekt, zullen een interessant onderwerp zijn voor verdere vervolgobservaties met huidige en toekomstige faciliteiten, " zei Yoshiki Matsuoka, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in Princeton, nu aan de Ehime University in Japan, die de studie leidde. "We zullen ook leren over de vorming en vroege evolutie van superzware zwarte gaten, door de gemeten getalsdichtheid en lichtsterkteverdeling te vergelijken met voorspellingen van theoretische modellen."

Op basis van de tot nu toe behaalde resultaten, het team kijkt ernaar uit om nog verder weg gelegen zwarte gaten te vinden en te ontdekken wanneer het eerste superzware zwarte gat in het universum verscheen.