Forskare som använde Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) upptäckte en titanisk galaktisk vind som drivs av ett supermassivt svart hål för 13,1 miljarder år sedan. Detta är det tidigaste exemplet hittills på en sådan vind och är ett tecken på att enorma svarta hål har en djupgående effekt på tillväxten av galaxer från universums mycket tidiga historia.

I mitten av många stora galaxer döljer sig ett supermassivt svart hål som är miljoner till miljarder gånger mer massivt än solen. Intressant, massan av det svarta hålet är ungefär proportionell mot massan av det centrala området (utbuktningen) av galaxen i det närliggande universum. Vid första ögonkastet, detta kan tyckas självklart, men det är faktiskt väldigt konstigt. Anledningen är att storlekarna på galaxer och svarta hål skiljer sig med cirka 10 storleksordningar. Baserat på detta proportionella förhållande mellan massorna av två föremål som är så olika i storlek, astronomer tror att galaxer och svarta hål växte och utvecklades tillsammans (samevolution) genom någon form av fysisk interaktion.

En galaktisk vind kan ge denna typ av fysisk interaktion mellan svarta hål och galaxer. Ett supermassivt svart hål sväljer en stor mängd materia. När den materien börjar röra sig i hög hastighet på grund av det svarta hålets gravitation, den avger intensiv energi, som kan trycka det omgivande materialet utåt. Det är så den galaktiska vinden skapas.

"Frågan är, när uppstod galaktiska vindar i universum?" säger Takuma Izumi, huvudförfattaren till forskningsartikeln och en forskare vid National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). "Detta är en viktig fråga eftersom den är relaterad till ett viktigt problem inom astronomi:Hur utvecklades galaxer och supermassiva svarta hål samtidigt?"

Forskargruppen använde först NAOJ:s Subaru-teleskop för att söka efter supermassiva svarta hål. Tack vare dess brett fältobservationsförmåga, de hittade mer än 100 galaxer med supermassiva svarta hål i universum för mer än 13 miljarder år sedan.

Sedan, forskargruppen använde ALMA:s höga känslighet för att undersöka gasrörelserna i de svarta hålens värdgalaxer. ALMA observerade en galax HSC J124353.93+010038.5 (hädanefter J1243+0100), upptäckt av Subaru-teleskopet, och fångade radiovågor som sänds ut av damm och koljoner i galaxen.

Detaljerad analys av ALMA-data visade att det finns ett höghastighetsgasflöde som rör sig med 500 km per sekund i J1243+0100. Detta gasflöde har tillräckligt med energi för att trycka bort stjärnmaterialet i galaxen och stoppa stjärnbildningsaktiviteten. Gasflödet som hittas i denna studie är verkligen en galaktisk vind, och det är det äldsta observerade exemplet på en galax med en enorm vind av galaktisk storlek. Den tidigare rekordhållaren var en galax för cirka 13 miljarder år sedan; så denna observation skjuter starten tillbaka ytterligare 100 miljoner år.

Teamet mätte också rörelsen hos den tysta gasen i J1243+0100, och uppskattade massan av galaxens utbuktning, baserat på dess gravitationsbalans, att vara cirka 30 miljarder gånger solens. Massan av galaxens supermassiva svarta hål, uppskattas med en annan metod, var cirka 1 % av det. Massförhållandet mellan utbuktningen och det supermassiva svarta hålet i denna galax är nästan identiskt med massförhållandet mellan svarta hål och galaxer i det moderna universum. Detta antyder att samevolutionen av supermassiva svarta hål och galaxer har skett sedan mindre än en miljard år efter universums födelse.

"Våra observationer stöder de senaste datorsimuleringar med hög precision som har förutspått att samevolutionära samband fanns på plats även för cirka 13 miljarder år sedan, " kommenterar Izumi. "Vi planerar att observera ett stort antal sådana objekt i framtiden, och hoppas kunna klargöra huruvida den ursprungliga samevolutionen som ses i detta objekt är en korrekt bild av det allmänna universum vid den tiden."

Dessa observationsresultat presenteras som Takuma Izumi et al. "Subaru High-z Exploration of Low-Luminosity Quasars (SHELLQs). XIII. Storskalig återkoppling och stjärnbildning i en Low-Luminosity Quasar vid z =7,07, "i Astrofysisk tidskrift den 14 juni, 2021.