Bij het analyseren van beelden van de James Webb Space Telescope (JWST) heeft een groep astronomen onder leiding van Dr. Lukas Furtak en Prof. Adi Zitrin van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev een extreem rood superzwaar zwart gat met zwaartekrachtlenzen ontdekt in het vroege universum . De kleuren suggereren dat het zwarte gat achter een dikke sluier van stof ligt die een groot deel van zijn licht verduistert. Het team slaagde erin de massa van het zwarte gat te meten en ontdekte dat het aanzienlijk massiever was, vergeleken met zijn gaststelsel, dan wat in meer lokale voorbeelden is gezien.

De bevinding is gepubliceerd in Nature .

De JWST, die twee jaar geleden werd gelanceerd, heeft een revolutie teweeggebracht in onze kijk op de vroege vorming van sterrenstelsels. Het heeft geleid tot de detectie van zeer vroege sterrenstelsels in grotere aantallen en met een grotere helderheid dan eerder voorspeld, en heeft een aantal nieuwe soorten objecten onthuld.

De groep astronomen had in JWST-beelden iets gedetecteerd dat leek op een quasarachtig object met lens uit het vroege heelal. Quasars zijn heldere, actieve galactische kernen:superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels die actief materiaal aan het verzamelen zijn.

De aangroei van materiaal op het zwarte gat zendt grote hoeveelheden straling uit die het gaststelsel overschaduwen, wat leidt tot een compact en helder, sterachtig uiterlijk. De JWST-beelden waarin Furtak en Zitrin het object identificeerden, zijn gemaakt voor het UNCOVER-programma, dat het veld van een cluster van sterrenstelsels, Abell 2744, tot ongekende diepte in beeld bracht.

Omdat de cluster grote hoeveelheden massa bevat, buigt hij de ruimtetijd (of de paden van lichtstralen die er dichtbij reizen) af, waardoor er effectief een zwaartekrachtlens ontstaat. De zwaartekrachtlens vergroot de achtergrondstelsels erachter, waardoor astronomen zelfs verder weg gelegen sterrenstelsels kunnen waarnemen dan anders mogelijk zou zijn.

"We waren erg opgewonden toen JWST zijn eerste gegevens begon te verzenden. We waren de gegevens aan het scannen die binnenkwamen voor het UNCOVER-programma en drie zeer compacte maar roodbloeiende objecten vielen opvallend op en trokken onze aandacht", zegt Dr. Lukas Furtak, een postdoctoraal onderzoeker. onderzoeker bij BGU en de hoofdauteur van de ontdekkingspapieren. "Hun 'rode stip'-uiterlijk deed ons onmiddellijk vermoeden dat het een quasarachtig object was."

Furtak en de UNCOVER-groep begonnen het object te onderzoeken. “We gebruikten een numeriek lensmodel dat we hadden geconstrueerd voor de cluster van sterrenstelsels om te bepalen dat de drie rode stippen meerdere afbeeldingen moesten zijn van dezelfde achtergrondbron, gezien toen het universum nog maar zo’n 700 miljoen jaar oud was”, zegt prof. Zitrin. , een astronoom bij BGU en een van de hoofdauteurs van de ontdekkingsartikelen.

‘Analyse van de kleuren van het object gaf aan dat het geen typisch stervormend sterrenstelsel was. Dit ondersteunde verder de superzware zwarte gat-hypothese’, zegt prof. Rachel Bezanson, van de Universiteit van Pittsburgh en medeleider van het UNCOVER-programma. “Samen met zijn compacte formaat werd het duidelijk dat dit waarschijnlijk een superzwaar zwart gat was, hoewel het nog steeds anders was dan andere quasars die in die vroege tijden werden gevonden,” voegde prof. Bezanson eraan toe. De ontdekking van dit unieke rode en compacte object werd vorig jaar gepubliceerd in het Astrofysical Journal . Maar dat was nog maar het begin van het verhaal.

Het team verzamelde vervolgens JWST/NIRSpec-gegevens van de drie afbeeldingen van de "rode stip" en analyseerde de gegevens. "De spectra waren gewoonweg verbluffend", zegt prof. Ivo Labbé, van de Swinburne University of Technology en medeleider van het UNCOVER-programma. "Door het signaal van de drie beelden te combineren met de lensvergroting is het resulterende spectrum gelijkwaardig tot ~1700 observatie-uren door JWST op een object zonder lens, waardoor dit het diepste spectrum is dat JWST heeft verkregen voor een enkel object in het vroege universum."

‘Met behulp van de spectra zijn we er niet alleen in geslaagd om te bevestigen dat het rode compacte object een superzwaar zwart gat was en de exacte roodverschuiving ervan te meten, maar ook om een ​​solide schatting van zijn massa te verkrijgen op basis van de breedte van zijn emissielijnen’, zegt hoofdauteur Dr. Furtak. ‘Gas draait rond in het zwaartekrachtveld van het zwarte gat en bereikt zeer hoge snelheden die je in andere delen van sterrenstelsels niet ziet. Door de Dopplerverschuiving is het licht dat wordt uitgezonden door het aangroeiende materiaal aan één kant rood verschoven en blauw verschoven. aan de andere kant, afhankelijk van de snelheid. Hierdoor worden de emissielijnen in het spectrum breder."

Maar de meting leidde tot nog een verrassing:de massa van het zwarte gat lijkt buitensporig hoog vergeleken met de massa van het gaststelsel.

‘Al het licht van dat sterrenstelsel moet passen in een klein gebied ter grootte van een hedendaagse sterrenhoop. De zwaartekrachtlensvergroting van de bron gaf ons voortreffelijke grenzen aan de grootte. Zelfs als we alle mogelijke sterren in zo’n klein gebied zouden samenbrengen, het zwarte gat maakt uiteindelijk minstens 1% uit van de totale massa van het systeem”, zegt prof. Jenny Greene van Princeton University en een van de hoofdauteurs van het recente artikel.

‘In feite zijn er nu verschillende andere superzware zwarte gaten in het vroege heelal gevonden die een soortgelijk gedrag vertonen, wat heeft geleid tot een aantal intrigerende beelden van de groei van zwarte gaten en gaststelsels, en de wisselwerking daartussen, die nog niet goed wordt begrepen.’

Astronomen weten niet of zulke superzware zwarte gaten bijvoorbeeld ontstaan ​​uit stellaire overblijfselen, of misschien uit materiaal dat in het vroege heelal direct instortte tot zwarte gaten.

"In zekere zin is dit het astrofysische equivalent van het kip-en-ei-probleem", zegt prof. Zitrin. "We weten momenteel niet wat er eerst was:het sterrenstelsel of het zwarte gat, hoe groot de eerste zwarte gaten waren en hoe ze groeiden."

Omdat er recentelijk nog veel meer van dergelijke "kleine rode stippen" en andere actieve galactische kernen zijn gedetecteerd met JWST, zullen we hopelijk binnenkort een beter idee krijgen.

Meer informatie: Lukas J. Furtak et al, Een hoge massaverhouding tussen zwart gat en gastheer in een AGN met lens in het vroege heelal, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07184-8

Aangeboden door de Ben-Gurion Universiteit van de Negev