Astronomer från Japan, Taiwan och Princeton University har upptäckt 83 kvasarer som drivs av supermassiva svarta hål i det avlägsna universum, från en tid då universum var mindre än 10 procent av sin nuvarande ålder.

"Det är anmärkningsvärt att så massiva täta föremål kunde bildas så snart efter Big Bang, sa Michael Strauss, en professor i astrofysiska vetenskaper vid Princeton University som är en av medförfattarna till studien. "Förstå hur svarta hål kan bildas i det tidiga universum, och hur vanliga de är, är en utmaning för våra kosmologiska modeller."

Detta fynd ökar avsevärt antalet kända svarta hål vid den epoken, och avslöjar, för första gången, hur vanliga de är tidigt i universums historia. Dessutom, den ger ny insikt om effekten av svarta hål på gasens fysiska tillstånd i det tidiga universum under dess första miljarder år. Forskningen visas i en serie om fem artiklar publicerade i The Astrophysical Journal och den Publikationer från Astronomical Observatory of Japan .

Supermassiva svarta hål, finns i galaxernas centrum, kan vara miljoner eller till och med miljarder gånger mer massiv än solen. Även om de är vanliga idag, det är oklart när de först bildades, och hur många som fanns i det avlägsna tidiga universum. Ett supermassivt svart hål blir synligt när gas ansamlas på det, får den att lysa som en "kvasar". Tidigare studier har endast varit känsliga för de mycket sällsynta, mest lysande kvasarer, och därmed de mest massiva svarta hålen. De nya upptäckterna undersöker populationen av svagare kvasarer, drivs av svarta hål med massor som är jämförbara med de flesta svarta hål som ses i dagens universum.

Forskargruppen använde data tagna med ett banbrytande instrument, "Hyper Suprime-Cam" (HSC), monterad på Subaru-teleskopet vid National Astronomical Observatory of Japan, som ligger på toppen av Maunakea på Hawaii. HSC har ett gigantiskt synfält - 1,77 grader tvärs över, eller sju gånger så stor som fullmånen – monterad på ett av världens största teleskop. HSC-teamet undersöker himlen under loppet av 300 nätter med teleskoptid, fördelat på fem år.

Teamet valde avlägsna kvasarkandidater från den känsliga HSC-undersökningsdatan. De genomförde sedan en intensiv observationskampanj för att få fram spektra av dessa kandidater, med hjälp av tre teleskop:Subaru-teleskopet; Gran Telescopio Canarias på ön La Palma på Kanarieöarna, Spanien; och Gemini South Telescope i Chile. Undersökningen har avslöjat 83 tidigare okända mycket avlägsna kvasarer. Tillsammans med 17 kvasarer som redan är kända i undersökningsregionen, forskarna fann att det finns ungefär ett supermassivt svart hål per kubik giga-ljusår – med andra ord, om du delade universum i imaginära kuber som är en miljard ljusår på en sida, var och en skulle hålla ett supermassivt svart hål.

Provet av kvasarer i denna studie är cirka 13 miljarder ljusår bort från jorden; med andra ord, vi ser dem som de fanns för 13 miljarder år sedan. När Big Bang ägde rum för 13,8 miljarder år sedan, vi tittar effektivt tillbaka i tiden, att se dessa kvasarer och supermassiva svarta hål som de dök upp bara cirka 800 miljoner år efter skapandet av det (kända) universum.

Det är allmänt accepterat att vätet i universum en gång var neutralt, men "återjoniserades" – uppdelat i sina beståndsdelar av protoner och elektroner – runt den tid då den första generationen stjärnor, galaxer och supermassiva svarta hål föddes, under de första hundra miljoner åren efter Big Bang. Detta är en milstolpe i den kosmiska historien, men astronomer vet fortfarande inte vad som gav den otroliga mängd energi som krävdes för att orsaka återjoniseringen. En övertygande hypotes tyder på att det fanns många fler kvasarer i det tidiga universum än vad som upptäckts tidigare, och det är deras integrerade strålning som återjoniserade universum.

"Dock, antalet kvasarer vi observerade visar att så inte är fallet, " förklarade Robert Lupton, en 1985 Princeton Ph.D. alumn som är senior forskare inom astrofysiska vetenskaper. "Antalet kvasarer som setts är betydligt mindre än vad som behövs för att förklara återjoniseringen." Återjonisering orsakades därför av en annan energikälla, troligen många galaxer som började bildas i det unga universum.

Den aktuella studien möjliggjordes av den världsledande undersökningsförmågan hos Subaru och HSC. "De kvasarer vi upptäckte kommer att vara ett intressant ämne för ytterligare uppföljningsobservationer med nuvarande och framtida anläggningar, " sa Yoshiki Matsuoka, en före detta postdoktor i Princeton nu vid Ehime University i Japan, som ledde studien. "Vi kommer också att lära oss om bildandet och den tidiga utvecklingen av supermassiva svarta hål, genom att jämföra den uppmätta taldensiteten och ljusfördelningen med förutsägelser från teoretiska modeller."

Baserat på de resultat som hittills uppnåtts, teamet ser fram emot att hitta ännu mer avlägsna svarta hål och upptäcka när det första supermassiva svarta hålet dök upp i universum.