Superzware zwarte gaten in het vroege heelal dagen kosmologische theorieën uit

Een artistieke weergave van het heldere kerngebied van een quasar, een actief sterrenstelsel. Het superzware zwarte gat in het centrum is omgeven door een heldere schijf van gas en stof. De buitenste stofcomponent kan het zicht op het binnenste belemmeren en schijnt voornamelijk in het midden-infraroodgebied, licht dat kan worden geanalyseerd door de James Webb Ruimtetelescoop. Een hoogenergetische deeltjesbundel komt de ruimte in vanuit de directe omgeving van het zwarte gat, loodrecht op de schijf. Auteursrecht: © T. Müller / MPIA

Verrassend weinig verrassend: het zwarte gat woog in het vroege heelal ondanks zijn gemiddelde eetlust al meer dan een miljard zonsmassa’s.

Als we kijken naar de vroege stadia van het heelal, dat 13,8 miljard jaar oud is, James Webb-ruimtetelescoop Hij observeerde een sterrenstelsel zoals het slechts 700 miljoen jaar geleden bestond de grote explosie. Het is een raadsel hoe Zwart gat De zwarte gaten in het centrum zouden al een miljard zonsmassa’s hebben gewogen toen het universum nog in de kinderschoenen stond. De observaties van James Webb waren bedoeld om het voedingsmechanisme van dichterbij te bekijken, maar hij vond niets bijzonders. Het is duidelijk dat zwarte gaten al op een vergelijkbare manier groeiden als wat er vandaag de dag gebeurt. Maar de bevinding is nog belangrijker: het laat zien dat astronomen minder weten over hoe sterrenstelsels ontstaan ​​dan ze dachten. De metingen zijn echter geenszins teleurstellend. Integendeel.

Het mysterie van vroege zwarte gaten

De eerste miljard jaar van de geschiedenis van het universum vormen een grote uitdaging: de oudst bekende zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels hadden een verrassend grote massa. Hoe is het zo snel zo groot geworden? De hier beschreven nieuwe waarnemingen leveren sterk bewijs tegen enkele van de voorgestelde verklaringen, vooral tegen de ‘ultra-efficiënte voedingsmodus’ van de eerste zwarte gaten.

Grenzen aan de groei van superzware zwarte gaten

Sterren en sterrenstelsels zijn de afgelopen 13,8 miljard jaar, de leeftijd van het heelal, dramatisch veranderd. Sterrenstelsels zijn groter geworden en hebben meer massa gekregen, hetzij door het omringende gas te consumeren, hetzij (soms) door met elkaar te versmelten. Lange tijd gingen astronomen ervan uit dat massieve zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels geleidelijk naast de sterrenstelsels zelf zouden zijn gegroeid.

Maar de groei van zwarte gaten kan niet willekeurig snel zijn. Het materiaal dat op het zwarte gat valt, vormt een hete, heldere ‘accretieschijf’. Wanneer dit gebeurt rond een superzwaar zwart gat, is het resultaat een actieve galactische kern. De helderste van deze objecten, bekend als quasars, behoren tot de helderste astronomische objecten in het hele universum. Maar deze helderheid beperkt de hoeveelheid materie die op het zwarte gat kan vallen: het licht oefent druk uit die kan voorkomen dat er nog meer materie valt.

Hoe zijn zwarte gaten zo snel zo groot geworden?

Dat is de reden waarom astronomen verbaasd waren toen observaties van verre quasars in de afgelopen twintig jaar nieuw gevormde zwarte gaten aan het licht brachten, terwijl hun massa wel tien miljard zonsmassa’s bedroeg. Het duurt lang voordat licht van een ver verwijderd object naar ons reist, dus kijken naar verre objecten betekent kijken naar het verre verleden. We zien de meest afgelegen quasars zoals ze bestonden in een tijdperk dat bekend staat als de ‘dageraad van het universum’, minder dan een miljard jaar na de oerknal, toen de eerste sterren en sterrenstelsels werden gevormd.

Het verklaren van deze vroege massieve zwarte gaten vormt een grote uitdaging voor de huidige modellen van de evolutie van sterrenstelsels. Zouden vroege zwarte gaten efficiënter kunnen zijn in het verzamelen van gas dan hun moderne tegenhangers? Of zou de aanwezigheid van stof de schattingen van de quasarmassa kunnen beïnvloeden op een manier die onderzoekers ertoe bracht de massa van vroege zwarte gaten te overschatten? Er zijn op dit moment veel verklaringen voorgesteld, maar geen enkele wordt algemeen aanvaard.

Een nadere blik op de vroege groei van een zwart gat

Om te bepalen welke verklaringen correct zijn (indien aanwezig) is een completer beeld van quasars nodig dan voorheen beschikbaar was. Met de komst van de James Webb-ruimtetelescoop, en met name het midden-infraroodinstrument MIRI, heeft het vermogen van astronomen om verre quasars te bestuderen een enorme sprong gemaakt. Bij het meten van de spectra van verre quasars is MIRI ongeveer 4.000 keer gevoeliger dan welk ander instrument dan ook.

Instrumenten als MIRI worden gebouwd door internationale consortia, waar wetenschappers, ingenieurs en technici nauw samenwerken. Uiteraard is het consortium zeer geïnteresseerd om te testen of hun tool zo goed werkt als gepland. In ruil voor het bouwen van de tool krijgt het consortium doorgaans een bepaalde hoeveelheid monitoringtijd. In 2019, jaren vóór de lancering van JWST, besloot het Europese MIRI Consortium een ​​deel van die tijd te gebruiken om te observeren wat toen de verst bekende quasar was, een object genaamd J1120+0641.

Waarneming van een van de oudste zwarte gaten

De waarnemingen werden geanalyseerd door Dr. Sarah Bosman, een postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Astronomie en lid van het Europese MIRI Consortium. De bijdragen van MPIA aan het MIRI-instrument omvatten onder meer het bouwen van een aantal belangrijke interne onderdelen. Boseman werd specifiek gevraagd om zich aan te sluiten bij de MIRI-samenwerking om expertise te bieden over hoe het instrument het beste kan worden gebruikt om het vroege universum te bestuderen, vooral de eerste superzware zwarte gaten.

De waarnemingen werden gedaan in januari 2023, tijdens de eerste cyclus van waarnemingen door de James Webb Telescoop, en duurden ongeveer tweeënhalf uur. Het vertegenwoordigt de eerste mid-infraroodstudie van een quasar tijdens de kosmische dageraadperiode, slechts 770 miljoen jaar na de oerknal (roodverschuiving z=7). De informatie komt niet uit een beeld, maar uit een spectrum: de ontbinding van het licht van een object in componenten met verschillende golflengten, vergelijkbaar met een regenboog.

Volg snel bewegend stof en gas

De algemene vorm van het midden-infrarode (“continue”) spectrum codeert voor de kenmerken van een grote ring van stof rond de accretieschijf in typische quasars. Deze ring helpt materie naar de accretieschijf te leiden en het zwarte gat te “voeden”. Het slechte nieuws voor degenen die het probleem van vroege massieve zwarte gaten liever oplossen, ligt in alternatieve snelle groeimethoden: de ring, en dus het voedingsmechanisme in deze zeer vroege quasar, lijkt hetzelfde te zijn als die van zijn modernere tegenhangers. Het enige verschil is iets dat geen enkel model van de snelle groei van quasar voorspelde: de temperatuur van het stof is iets hoger, ongeveer honderd Kelvin warmer dan de 1.300 Kelvin die wordt aangetroffen in het hetere stof in minder verre quasars.

Het kortere golflengtegedeelte van het spectrum, gedomineerd door emissies van de accretieschijf zelf, laat ons verre waarnemers zien dat het licht van de quasar niet wordt gedimd door meer stof dan normaal. Argumenten dat we de vroege massa van zwarte gaten zouden kunnen overschatten als gevolg van extra stof, zijn ook niet het antwoord.

Vroege quasars ‘schokkend normaal’

Het gebied met de contouren van een quasar, waar gasklonten rond het zwarte gat cirkelen met snelheden die de snelheid van het licht benaderen – waardoor conclusies kunnen worden getrokken over de massa van het zwarte gat en de dichtheid en ionisatie van de omringende materie – lijkt ook normaal. Volgens bijna alle kenmerken die uit het spectrum kunnen worden afgeleid, verschilt J1120+0641 niet van quasars uit latere tijden.

‘Over het geheel genomen dragen de nieuwe waarnemingen bij aan het mysterie: vroege quasars waren schokkend normaal. Ongeacht op welke golflengte we ze waarnemen, quasars zijn vrijwel identiek in alle tijdperken van het universum’, zegt Bosman. Niet alleen de superzware zwarte gaten zelf, maar ook hun voedingsmechanismen waren volledig ‘volwassen’ toen het universum nog maar 5% van zijn huidige leeftijd had. Door een aantal alternatieve oplossingen uit te sluiten, ondersteunen de resultaten krachtig het idee dat superzware zwarte gaten vanaf het begin met grote massa’s zijn begonnen, in astronomische terminologie: ‘primordiaal’ of ‘massief’. Superzware zwarte gaten ontstonden niet uit de overblijfselen van vroege sterren, maar groeiden toen heel snel. Ze moeten vroeg zijn ontstaan ​​met een initiële massa van ten minste 100.000 zonsmassa’s, misschien door het instorten van enorme vroege gaswolken.

Referentie: “Een volwassen quasar aan het begin van het universum gedetecteerd door JWST stationair frame infraroodspectroscopie” door Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Goran Östlin, Thomas R. Greif, Gillian Wright, Arjan Beck, Leandert Bogarde, Karina Capote, Luca Constantin, Andreas Eckart, Macarena Garcia Marin, Stephen Gelmann, Jens Hjorth, Edoardo Ianni, Olivier Ilbert, Iris German, Alvaro Labiano, Daniel Langerudi, Florian Biesker, Pierluigi Rinaldi , Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Godel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom B. Ray, Ewen F. Van Deschock en Bart Vandenbosche, 17 juni 2024, Natuurlijke astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0