Quasars zijn de brandende centra van actieve sterrenstelsels, die in hun kern een onverzadigbaar superzwaar zwart gat herbergen. De meeste sterrenstelsels herbergen een centraal zwart gat dat zich af en toe kan tegoed doen aan gas en stellair puin, waardoor een korte uitbarsting van licht ontstaat in de vorm van een gloeiende ring terwijl materiaal naar het zwarte gat wervelt.

Quasars kunnen daarentegen enorme hoeveelheden materie over veel langere tijdsperioden verbruiken, waardoor een extreem heldere en langdurige ring ontstaat – zo helder zelfs dat quasars tot de meest lichtgevende objecten in het universum behoren.

Omdat ze zo helder zijn, overtreffen quasars de rest van het sterrenstelsel waarin ze zich bevinden. Maar het MIT-team was voor het eerst in staat het veel zwakkere licht van sterren in de gaststelsels van drie oude quasars waar te nemen.

Op basis van dit ongrijpbare stellaire licht schatten de onderzoekers de massa van elk gaststelsel, vergeleken met de massa van het centrale superzware zwarte gat. Ze ontdekten dat bij deze quasars de centrale zwarte gaten veel massiever waren in vergelijking met hun gaststelsels, vergeleken met hun moderne tegenhangers.

De bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in The Astrophysical Journal , kan licht werpen op hoe de vroegste superzware zwarte gaten zo massief werden, ondanks dat ze een relatief korte kosmische tijd hadden om te groeien. In het bijzonder kunnen die vroegste monsterlijke zwarte gaten zijn voortgekomen uit massievere ‘zaden’ dan de modernere zwarte gaten.

‘Nadat het universum ontstond, waren er zwarte gaten die vervolgens materiaal consumeerden en in zeer korte tijd groeiden’, zegt studieauteur Minghao Yue, een postdoc bij het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Een van de grote vragen is om te begrijpen hoe die monsterlijke zwarte gaten zo snel en zo groot konden worden."

‘Deze zwarte gaten zijn miljarden keren massiever dan de zon, in een tijd waarin het universum nog in de kinderschoenen staat’, zegt studieauteur Anna-Christina Eilers, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "Onze resultaten impliceren dat superzware zwarte gaten in het vroege heelal hun massa wellicht eerder hebben bereikt dan hun gaststelsels, en dat de aanvankelijke zaden van zwarte gaten massiever hadden kunnen zijn dan vandaag."

De co-auteurs van Eilers en Yue zijn onder meer MIT Kavli-directeur Robert Simcoe, MIT Hubble Fellow en postdoc Rohan Naidu, en medewerkers in Zwitserland, Oostenrijk, Japan en aan de North Carolina State University.

Verblindende kernen

De extreme helderheid van een quasar is al duidelijk sinds astronomen de objecten in de jaren zestig voor het eerst ontdekten. Ze gingen er toen van uit dat het licht van de quasar afkomstig was van een enkele, sterachtige ‘puntbron’. Wetenschappers hebben de objecten 'quasars' genoemd, als een samenvoeging van een 'quasi-stellair' object.

Sinds die eerste waarnemingen hebben wetenschappers zich gerealiseerd dat quasars in feite niet van stellaire oorsprong zijn, maar voortkomen uit de aanwas van intens krachtige en aanhoudende superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels die ook sterren herbergen, die veel zwakker zijn in vergelijking met hun oogverblindende kernen.

Het was een enorme uitdaging om het licht van het centrale zwarte gat van een quasar te scheiden van het licht van de sterren van het gaststelsel. De taak lijkt een beetje op het onderscheiden van een veld vuurvliegjes rond een centraal, enorm zoeklicht. Maar de afgelopen jaren hebben astronomen daartoe een veel betere kans gehad met de lancering van NASA’s James Webb Space Telescope (JWST), die verder terug in de tijd heeft kunnen kijken, en met een veel hogere gevoeligheid en resolutie, dan welke bestaande telescoop dan ook. observatorium.

In hun nieuwe onderzoek gebruikten Yue en Eilers speciale tijd op JWST om zes bekende, oude quasars te observeren, met tussenpozen vanaf de herfst van 2022 tot de volgende lente. In totaal verzamelde het team meer dan 120 uur aan observaties van de zes verre objecten.

‘De quasar overtreft het gaststelsel met ordes van grootte. En eerdere opnamen waren niet scherp genoeg om te onderscheiden hoe het gaststelsel met al zijn sterren eruit ziet,’ zegt Yue. "Nu kunnen we voor het eerst het licht van deze sterren onthullen door zeer zorgvuldig de veel scherpere beelden van JWST van die quasars te modelleren."

Een lichte balans

Het team maakte de balans op van de beeldgegevens verzameld door JWST van elk van de zes verre quasars, die naar schatting ongeveer 13 miljard jaar oud waren. Die gegevens omvatten metingen van het licht van elke quasar in verschillende golflengten. De onderzoekers hebben die gegevens in een model verwerkt van hoeveel van dat licht waarschijnlijk afkomstig is van een compacte ‘puntbron’, zoals de accretieschijf van een centraal zwart gat, versus een meer diffuse bron, zoals licht van de omliggende, verspreide sterren van het gaststelsel. .

Door deze modellering heeft het team het licht van elke quasar in twee componenten opgesplitst:licht van de lichtgevende schijf van het centrale zwarte gat en licht van de meer diffuse sterren van het gaststelsel. De hoeveelheid licht van beide bronnen is een weerspiegeling van hun totale massa. De onderzoekers schatten dat voor deze quasars de verhouding tussen de massa van het centrale zwarte gat en de massa van het gaststelsel ongeveer 1:10 bedroeg. Ze realiseerden zich dat dit in schril contrast stond met de huidige massabalans van 1:1.000, waarin recentelijk gevormde zwarte gaten veel minder zwaar zijn vergeleken met hun gaststelsels.

"Dit vertelt ons iets over wat het eerst groeit:is het het zwarte gat dat het eerst groeit, en dan haalt het sterrenstelsel zijn achterstand in? Of zijn het het sterrenstelsel en zijn sterren die het eerst groeien, en zij domineren en reguleren de groei van het zwarte gat?" Eilers legt uit. "We zien dat zwarte gaten in het vroege heelal sneller lijken te groeien dan hun gaststelsels. Dat is voorlopig bewijs dat de oorspronkelijke zaden van zwarte gaten destijds massiever hadden kunnen zijn."

‘Er moet een mechanisme zijn geweest dat ervoor zorgde dat een zwart gat in die eerste miljard jaar eerder massa kreeg dan het sterrenstelsel waarin het zich bevond’, zegt Yue. "Dit is zo'n beetje het eerste bewijs dat we hiervoor zien, en dat is spannend."

Meer informatie: Minghao Yue et al., EIGER. V. Karakterisering van de gaststelsels van lichtgevende quasars op z ≳ 6, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad3914

Journaalinformatie: Astrofysisch tijdschrift

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.