De James Webb-telescoop ontcijfert zwarte gaten in het vroege heelal

De James Webb-ruimtetelescoop heeft beelden vastgelegd van twee quasars in het vroege heelal, wat licht werpt op de relatie tussen zwarte gaten en hun gaststelsels. Deze doorbraak geeft aan dat de massaverhouding die in moderne sterrenstelsels wordt waargenomen, minder dan een miljard jaar na de oerknal al bestond.

Recente waarnemingen door de James Webb Ruimtetelescoop van twee quasars uit het begin van het heelal onthullen belangrijke inzichten in de vroege relatie tussen zwarte gaten en hun sterrenstelsels, en weerspiegelen de massaverhoudingen die we in het recentere heelal zien.

Nieuwe beelden gemaakt door de James Webb Space Telescope (JWST) hebben voor het eerst sterlicht onthuld van twee enorme sterrenstelsels die actief groeiende zwarte gaten huisvesten – quasars – die minder dan een miljard jaar na de oerknal te zien zijn. Zwarte gaten hebben een massa die ongeveer een miljard keer zo groot is als die van de zon, en de massa van hun gaststelsels is ongeveer honderd keer groter, een verhouding die vergelijkbaar is met die in het jongere universum. Een krachtige combinatie van het grootveldonderzoek van de Subaru Telescoop en de James Webb Space Probe heeft een nieuwe manier geplaveid om het verre heelal te bestuderen, zo blijkt uit een recent onderzoek uit 2016. natuur.

Waarnemingen van gigantische zwarte gaten hebben de afgelopen jaren de aandacht van astronomen getrokken. De Event Horizon Telescope (EHT) is begonnen met het in beeld brengen van de ‘schaduw’ van zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels. De Novel Prize in Physics 2020 werd toegekend voor observaties van stellaire beweging in het hart van een sterrenstelsel. Melkweg. Hoewel het bestaan ​​van zulke gigantische zwarte gaten goed vaststaat, weet niemand waar ze vandaan komen.

Astronomen hebben het bestaan ​​gemeld van zwarte gaten met een massa van een miljard zonsmassa's gedurende de eerste miljard jaar van het heelal. Hoe konden deze zwarte gaten dan zo groot worden toen het heelal nog zo jong was? Nog raadselachtiger is dat waarnemingen in het lokale universum een ​​duidelijke relatie laten zien tussen de massa van superzware zwarte gaten en de massievere sterrenstelsels waarin ze zich bevinden. Sterrenstelsels en zwarte gaten hebben totaal verschillende afmetingen, dus wat was er eerst: zwarte gaten of sterrenstelsels? Dit is een ‘kip of het ei’-probleem op kosmisch niveau.

3,6 µm JWST NIRCam-afbeelding van HSC J2236+0032. De miniatuurafbeelding, de quasarafbeelding en de afbeelding van het gaststelsel na aftrek van het quasarlicht (van links naar rechts). De beeldschaal wordt in elk paneel aangegeven in lichtjaren. Krediet: Ding, Ono, Silverman et al.

Een internationaal team van onderzoekers wordt geleid door Masafusa Ono, een Kavli Fellow voor Astrofysica aan het Kavli Instituut voor Astronomie en Astrofysica (KIAA) aan de Universiteit van Peking, en Shuheng Ding, een Research Fellow aan het Kavli Instituut voor Kosmische Fysica en Wiskunde (Kavli IPMU ). ), en John Silverman, een Kavli-professor bij IPMU, probeerden deze vraag te beantwoorden met behulp van James Webb-ruimtetelescoop (JWST), een ruimtetelescoop van 6,5 meter, ontwikkeld via een internationale samenwerking tussen… NASAde Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) en de Canadian Space Agency (CSA), en werden gelanceerd in december 2021.

Quasars zijn lichtgevend, terwijl hun gaststelsels zwak zijn, wat het voor onderzoekers moeilijk heeft gemaakt om zwak galactisch licht in de gloed van de quasar te detecteren, vooral op lange afstanden. “Het vinden van de gaststelsels van quasars bij roodverschuiving 6 is als het proberen om vuurvliegjes te spotten in een spectaculaire vuurwerkshow terwijl je een beslagen bril draagt. De gaststelsels zijn ongelooflijk zwak en de beeldresolutie was zeer beperkt, zelfs met Hubble-ruimtetelescoop“Wat het onthullen van de verborgen schoonheid ervan tot een echte uitdaging maakt”, zegt Xuheng Ding.

Artist's concept van NASA's James Webb-ruimtetelescoop. Afbeeldingsbron: NASA, ESA en Northrop Grumman

Het team observeerde met de James Webb Ruimtetelescoop, HSC J2236+0032 en HSC J2255+0251, twee quasars met roodverschuivingen van 6,40 en 6,34 toen het universum ongeveer 860 miljoen jaar oud was. Deze twee quasars werden oorspronkelijk ontdekt via een grootschalig onderzoek van de 8,2 meter lange Subaru-telescoop, waarmee het onderzoeksteam tot nu toe meer dan 160 quasars heeft geïdentificeerd. De relatief lage helderheid van deze quasars maakt ze tot een belangrijk doelwit voor het meten van de eigenschappen van hun gaststelsel, en de succesvolle ontdekking van de gastheren vertegenwoordigt het eerste tijdperk tot nu toe waarin sterlicht in een quasar is gedetecteerd.

Beelden van quasars op infrarode golflengten van 3,56 en 1,50 micron werden vastgelegd met behulp van JWST's NIRCam-instrument, en gaststelsels werden zichtbaar na zorgvuldige modellering en aftrek van de gloed van aangroeiende zwarte gaten. De stellaire signatuur van het gaststelsel werd ook gezien in het spectrum dat werd vastgelegd door JWST's NIRSpec van J2236+0032, wat de ontdekking van het gaststelsel ondersteunde. “Sinds mijn doctoraatsjaren aan het National Astronomical Observatory van Japan ben ik nauw betrokken geweest bij Subaru's onderzoek naar quasars met een hoge roodverschuiving. Ik ben buitengewoon trots op de succesvolle detectie van sterlicht van HSC-quasars die we bij Subaru hebben gevonden”, zegt Masafusa Onoe.

Kavli IPMU-projectonderzoeker Xuheng Ding, professor John Silverman, en Kavli Instituut voor Astronomie en Astrofysica (PKU-KIAA) Kavli Astrophysics Fellow Masafusa Onoue (van links). Krediet: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

Door observaties ontdekte het team dat… Zwart gat De massa van het gaststelsel is vergelijkbaar met die van het jongere heelal. Het resultaat suggereert dat de relatie tussen zwarte gaten en hun gastheren al bestond gedurende de eerste miljard jaar na de explosie de grote explosie. Het team zal deze studie voortzetten met een grotere steekproef van verre quasars, met als doel de co-evolutionaire groeigeschiedenis van zwarte gaten en hun moederstelsels in de kosmische tijd te beperken. Deze waarnemingen zullen modellen van de co-evolutie van zwarte gaten en hun gaststelsels beperken.

Lees meer over deze ontdekking op Onderzoekers ontdekken Quasar-hoststelsels in het vroege heelal.

Referentie: “Detecteren van stellair licht van quasar-gaststelsels bij roodverschuivingen hoger dan 6” door Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Janke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Volontieri, Zoltan Heymann, Erham Tawfiq Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebecca Perry, Sarah E. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Kristina Ehlers, Seiji Fujimoto, Melanie Haposet, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kishikawa, Toshihiro. Kawaguchi, Kotaro Kohno, Shin-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Liu, Toru Nagao, Roderick Overzer, Jan Torg Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasako, Yoshiki Toba, Benny Trachtenbrot, Maxim Trebich, Tommaso Trieu, Hideki Umehata, Bram B. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang en Jenny Yang, 28 juni 2023, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-06345-5