Een groep astronomen, waaronder wetenschappers van Penn State, heeft de waarschijnlijke ontdekking aangekondigd van een zeer verduisterd zwart gat dat slechts 850 miljoen jaar na de oerknal bestaat, met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory. Dit is het eerste bewijs voor een verhuld zwart gat op zo'n vroeg tijdstip.

Superzware zwarte gaten groeien meestal door materiaal uit een schijf van omringende materie te trekken. Voor de snelste groei, dit proces genereert enorme hoeveelheden straling in een zeer klein gebied rond het zwarte gat, en produceert een extreem heldere, compacte bron genaamd een quasar.

Theoretische berekeningen geven aan dat het grootste deel van de vroege groei van zwarte gaten plaatsvindt terwijl het zwarte gat en de schijf worden omgeven door een dichte gaswolk die materiaal in de schijf voedt. Naarmate het zwarte gat groeit, het gas in de wolk is uitgeput totdat het zwarte gat en zijn heldere schijf worden blootgelegd.

"Het is buitengewoon uitdagend om quasars te vinden in deze verhulde fase omdat zoveel van hun straling wordt geabsorbeerd en niet kan worden gedetecteerd door de huidige instrumenten, " zei Fabio Vito, CAS-CONICYT Fellow aan de Pontificia Universidad Católica de Chile, die de studie leidde, die hij begon als postdoctoraal onderzoeker bij Penn State. "Dankzij Chandra en het vermogen van röntgenstralen om door de verduisterende wolk te dringen, we denken dat we er eindelijk in zijn geslaagd."

De ontdekking was het resultaat van observaties van een quasar genaamd PSO 167-13, die voor het eerst werd ontdekt door Pan-STARRS, een optische-lichttelescoop in Hawaï. Optische waarnemingen van deze en andere onderzoeken hebben geresulteerd in de detectie van ongeveer 200 quasars die al helder schitterden toen het universum minder dan een miljard jaar oud was, of ongeveer 8 procent van zijn huidige leeftijd. Deze onderzoeken werden alleen als effectief beschouwd bij het vinden van niet-verduisterde zwarte gaten, omdat de straling die ze detecteren wordt onderdrukt door zelfs dunne wolken van omringend gas en stof. Daarom werd verwacht dat PSO 167-13 vrij zou zijn.

Het team van Vito kon dit idee testen door Chandra-waarnemingen te doen van PSO 167-13 en negen andere quasars die met optische onderzoeken waren ontdekt. Na 16 uur observatie werden slechts drie röntgenfotonen gedetecteerd van PSO 167-13, allemaal met relatief hoge energieën. Röntgenstralen met lage energie worden gemakkelijker geabsorbeerd dan röntgenstralen met hogere energie, dus de waarschijnlijke verklaring voor de Chandra-waarneming is dat de quasar sterk wordt verduisterd door gas, waardoor alleen röntgenstralen met hoge energie kunnen worden gedetecteerd.

"Dit was een complete verrassing, " zei co-auteur Niel Brandt, Verne M. Willaman hoogleraar astronomie en astrofysica en hoogleraar natuurkunde aan Penn State. "Het was alsof we een mot verwachtten, maar in plaats daarvan een cocon zagen. Geen van de andere negen quasars die we zagen waren verhuld, dat is wat we hadden verwacht."

Een interessante wending voor PSO 167-13 is dat het sterrenstelsel dat de quasar huisvest, een nauw begeleidend sterrenstelsel heeft dat zichtbaar is in gegevens die eerder zijn verkregen met de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) van radioschotels in Chili en NASA's Hubble-ruimtetelescoop. Vanwege hun nauwe scheiding en de zwakte van de röntgenbron, het team kon niet bepalen of de nieuw ontdekte röntgenstraling geassocieerd is met de quasar PSO 167-13 of met het begeleidende sterrenstelsel.

Als de röntgenstralen afkomstig zijn van de bekende quasar, dan moeten astronomen een verklaring ontwikkelen waarom de quasar sterk verduisterd leek in röntgenstralen maar niet in optisch licht. Een mogelijkheid is dat er een grote en snelle toename is geweest van de verduistering van de quasar gedurende de 3 jaar tussen de optische en de röntgenwaarnemingen.

Anderzijds, als in plaats daarvan de röntgenstralen uit het begeleidende sterrenstelsel komen, dan vertegenwoordigt het de detectie van een nieuwe quasar in de buurt van PSO 167-13. Dit quasarpaar zou het verst verwijderde tot nu toe gedetecteerde zijn, het record breken van 1,2 miljard jaar na de oerknal. In elk van deze twee gevallen de door Chandra gedetecteerde quasar zou de verste verhulde zijn die tot nu toe is gezien. De vorige recordhouder wordt 1,3 miljard jaar na de oerknal waargenomen. De auteurs zijn van plan om met vervolgwaarnemingen een meer verfijnde karakterisering van de bron te maken.

"Met een langere Chandra-observatie, we zullen een betere schatting kunnen krijgen van hoe verduisterd dit zwarte gat is, " zei co-auteur Franz Bauer, ook van de Pontificia Universidad Católica de Chile en een voormalig postdoctoraal onderzoeker in Penn State, "en maak een betrouwbare identificatie van de röntgenbron met ofwel de bekende quasar of het begeleidende sterrenstelsel."

De auteurs zijn ook van plan om te zoeken naar meer voorbeelden van sterk verduisterde zwarte gaten.

"We vermoeden dat de meeste superzware zwarte gaten in het vroege heelal verhuld zijn:het is dan van cruciaal belang om ze te detecteren en te bestuderen om te begrijpen hoe ze zo snel tot massa's van een miljard zonnen konden groeien, " zei co-auteur Roberto Gilli van INAF in Bologna, Italië.

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, verschijnt op 8 augustus online in het tijdschrift Astronomie en astrofysica . NASA's Marshall Space Flight Center beheert het Chandra-programma. Het Chandra X-ray Center van het Smithsonian Astrophysical Observatory bestuurt wetenschap en vluchtoperaties vanuit Cambridge, MA. De gegevens die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn verzameld met behulp van de Advanced CCD Imaging Spectrometer op Chandra, een instrument bedacht en ontworpen door een team onder leiding van Penn State Evan Pugh Professor Emeritus of Astronomy and Astrophysics Gordon Garmire.

Naast Vito, Brandt, en Bauer, het onderzoeksteam omvat ook voormalige postdoctorale onderzoekers van Penn State, Ohad Shemmer, Cristian Vignali, en Bin Luo, die ook promoveerde aan Penn State.