Astronomer har upptäckt det mest avlägsna svarta hålet som någonsin observerats - och det är förvånansvärt stort för sin unga ålder.

Med en vikt på 800 miljoner solmassor, detta supermassiva exemplar hittades i mitten av en ung galax som genererar kraftig strålning. Känd som en kvasar, denna typ av galax upplyste det tidiga universum, och deras extrema aktivitet drevs av det svarta hålets dynamos i deras kärnor. Men det här svarta hålet är mycket större än väntat för en så ung galax.

"Det här svarta hålet växte sig mycket större än vi förväntade oss på bara 690 miljoner år efter Big Bang, som utmanar våra teorier om hur svarta hål bildas, "sade Daniel Stern i ett uttalande från NASA:s Jet Propulsion Laboratory. Stern är medförfattare till en ny studie som publicerats i tidskriften Nature.

Cosmic Birth and the Dark Ages

Låt oss resa längre tillbaka i tiden för att fullt ut uppskatta hur banbrytande denna upptäckt är.

Efter Big Bang, det snabbt expanderande universum fylldes med en varm soppa av joniserad gas, kallas plasma. När tiden gick och universum svalnade, denna plasma kondenseras till neutrala atomer (främst väte, där en proton kombineras med en elektron). Fram till denna punkt, universum hade inga stjärnor och inga galaxer; det hade helt enkelt inte varit tillräckligt med tid för saker att klumpa ihop sig under tyngdkraften för att skapa stjärnor. Denna period fick lämpligt namnet "Dark Ages" eftersom den enda strålningen som fanns vid den tiden var bakgrunden efterglöd från själva Big Bang, och det blev snabbt rödskiftat när universum expanderade. Rödförskjutning uppstår när det expanderande universum sträcker ljus från korta våglängder till långa våglängder.

När de första stjärnorna uppstod och blev korrelerade av deras ömsesidiga gravitation för att bilda de första galaxerna, dock, universum genomgick en monumental förändring.

Dessa första galaxer genererade kraftfull strålning som bryter ner den neutrala vätgasen, avlägsna elektronerna från protoner. Kallas "rejonisering", "universum blev återigen ett plasmatillstånd. Normalt sett denna starkt joniserade gas skulle vara ogenomskinlig för strålning, men eftersom universum hade expanderat och svalnat, plasman var så spridd att ljus från galaxerna färdades genom intergalaktiskt utrymme mestadels obehindrat. Det är som om kosmos knackade på starlight -omkopplaren.

Kommer från Cosmic Dawn

Så, vad har detta supermassiva svarta hål att göra med denna dramatiska kosmiska transformation?

Observationer av kvasaren, kallas ULAS J1342+0928, har visat att den är omgiven av neutralt väte. Det neutrala väte som finns runt denna babygalax betyder att det är det bara bara kom från denna rejoniseringsperiod, vilket gör den till den tidigaste galaxen som vi burk ser, eftersom det är bland den första populationen av galaxer som bildas.

"Den nya kvasaren är i sig en av de första galaxerna, och ändå har det redan ett massivt svart hål som är lika massivt som andra i dagens universum! "sa medförfattaren Xiaohui Fan, som arbetar vid University of Arizona, i ett pressmeddelande.

Att upptäcka detta objekt var ingen lätt uppgift. Ljuset från J1342+0928 har tagit mer än 13 miljarder år att nå oss, så det är extremt svagt och väldigt rödskiftat. Kvasarer var kraftfulla generatorer av kortvåglig strålning, som röntgen. Men efter att ha rest 13 miljarder ljusår, strålningen har sträckts till den infraröda delen av spektrumet, så bara de mest känsliga infraröda undersökningsteleskopen kan upptäcka det.

Med hjälp av data som genererats från en internationell trifecta av kraftfulla teleskop, forskarna kunde söka kvasarkandidater längst ut i kosmos. När den väl identifierats, andra observatorier slog till för att karakterisera detta extrema objekt.

Gemini -observatoriet på Hawaii, till exempel, hjälpte till att bestämma det svarta hålets enorma massa genom att sondera det infraröda spektrumet för att mäta det svarta hålets aktivitet. Kvasarer var så kraftfulla strålningsgeneratorer i det tidiga universum eftersom de supermassiva svarta hålen i deras kärnor hade tillgång till en enorm mängd material. Eftersom de snabbt konsumerade denna fråga, de svarta hålen bildade ett stort, het och strålande ackretionsskiva, skapa kvasarnas varumärkesljus som kan ses över miljarder ljusår.

Nästa steg är att söka efter fler kvasarer som J1342+0928, och forskarna uppskattar att det måste finnas mellan 20 och 100 kvasarer som det över hela himlen.

För stor?

Nu när vi vet att J1342+0928 är hem för ett 800 miljoner solmassor supermassivt svart hål, den stora frågan är, hur fan blev det så gigantiskt?

Några av de största frågorna som hänger över modern kosmologi och astrofysik fokuserar på supermassiva svarta hål. Dessa monster är kända för att gömma sig i kärnorna i de flesta galaxer, inklusive vår egen, och vi vet att de kan ha massan av en miljard solar. Att försöka förklara hur de supermassiva svarta hålen i vårt moderna universum förbrukade tillräckligt med materia för att bli så stora är svårt nog, men att hitta ett 800 miljoner solmassemonster som existerade bara 690 miljoner år efter Big Bang är en allvarlig huvudskrapa. Hur växte det här svarta hålet så snabbt så snabbt?

Mekanismerna bakom ansamling av svart hål är dåligt förstådda, men forskarna föreslår att detta exempel bara kan ha varit en "tidig blomning" som hade en extremt aktiv ungdom, bara för att slå sig ner som ett "vanligt" supermassivt svart hål i en stor elliptisk galax.

"Om det ligger i en tätare än genomsnittlig del av universum, det kan få en tidigare start i livet och växa snabbare, "Sa Fan i ett uttalande.

"Detta fynd visar att det uppenbarligen fanns en process i det tidiga universum för att göra detta monster, "tillade astronomen Eduardo Bañados, vid Carnegie Institution for Science som ledde den internationella studien. "Vad är den processen? Tja, det kommer att hålla teoretikerna väldigt upptagna! "

Universum är 13,8 miljarder år gammalt, så 690 miljoner år representerar bara 5 procent av vårt universums ålder.