Astronomer som använder ESO:s Very Large Telescope har observerat reservoarer av kall gas runt några av de tidigaste galaxerna i universum. Dessa gashalos är den perfekta maten för supermassiva svarta hål i mitten av dessa galaxer, som nu ses som de var för över 12,5 miljarder år sedan. Denna matlagring kan förklara hur dessa kosmiska monster växte så snabbt under en period i universums historia känd som den kosmiska gryningen.

"Vi kan nu visa, för första gången, att urgalaxer har tillräckligt med mat i sina miljöer för att upprätthålla både tillväxten av supermassiva svarta hål och kraftig stjärnbildning, " säger Emanuele Paolo Farina, vid Max Planck Institute for Astronomy i Heidelberg, Tyskland, som ledde forskningen som publicerades idag i The Astrophysical Journal . "Detta lägger till en grundläggande bit till det pussel som astronomer bygger för att föreställa sig hur kosmiska strukturer bildades för mer än 12 miljarder år sedan."

Astronomer har undrat hur supermassiva svarta hål kunde växa sig så stora så tidigt i universums historia. "Närvaron av dessa tidiga monster, med massor som är flera miljarder gånger vår sols massa, är ett stort mysterium, säger Farina, som också är knuten till Max Planck Institute for Astrophysics i Garching bei München. Det betyder att de första svarta hålen, som kan ha bildats från kollapsen av de första stjärnorna, måste ha växt väldigt snabbt. Men, tills nu, astronomer hade inte sett "svarta håls mat" - gas och damm - i tillräckligt stora mängder för att förklara denna snabba tillväxt.

För att komplicera saken ytterligare, tidigare observationer med ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, avslöjade mycket damm och gas i dessa tidiga galaxer som drev snabb stjärnbildning. Dessa ALMA-observationer antydde att det kunde finnas lite över för att mata ett svart hål.

För att lösa detta mysterium, Farina och hans kollegor använde instrumentet MUSE på ESO:s Very Large Telescope i den chilenska Atacamaöknen för att studera kvasarer – extremt ljusstarka objekt som drivs av supermassiva svarta hål som ligger i centrum av massiva galaxer. Studien undersökte 31 kvasarer som ses som de var för mer än 12,5 miljarder år sedan, vid en tidpunkt då universum fortfarande var ett spädbarn, bara cirka 870 miljoner år gammal. Detta är ett av de största proven av kvasarer från så här tidigt i universums historia som ska undersökas.

Astronomerna fann att 12 kvasarer var omgivna av enorma gasreservoarer:halos av sval, tät vätgas som sträcker sig 100 000 ljusår från de centrala svarta hålen och med miljarder gånger solens massa. Laget, från Tyskland, USA, Italien och Chile, fann också att dessa gashalos var tätt bundna till galaxerna, tillhandahåller den perfekta matkällan för att upprätthålla både tillväxten av supermassiva svarta hål och kraftig stjärnbildning.

Forskningen var möjlig tack vare den fantastiska känsligheten hos MUSE, Multi Unit Spectroscopic Explorer, på ESO:s VLT, som Farina säger var "en game changer" i studiet av kvasarer. "Inom några timmar per mål, vi kunde gräva in i omgivningarna av de mest massiva och glupska svarta hålen som finns i det unga universum, " tillägger han. Medan kvasarer är ljusa, gasreservoarerna runt dem är mycket svårare att observera. Men MUSE kunde upptäcka den svaga glöden från vätgasen i gloriorna, låter astronomer äntligen avslöja matförråden som driver supermassiva svarta hål i det tidiga universum.

I framtiden, ESO:s Extremely Large Telescope kommer att hjälpa forskare att avslöja ännu fler detaljer om galaxer och supermassiva svarta hål under de första två miljarderna åren efter Big Bang. "Med kraften från ELT, vi kommer att kunna gräva ännu djupare in i det tidiga universum för att hitta många fler sådana gasnebulosor, " avslutar Farina.

Denna forskning presenteras i en artikel som kommer att visas i The Astrofysisk tidskrift .