En oöverträffad bild från NASA:s Chandra röntgenobservatorium ger ett internationellt team av astronomer den bästa bilden hittills på tillväxten av svarta hål under miljarder år med början strax efter Big Bang. Detta är den djupaste röntgenbilden som någonsin tagits, samlas in med cirka 7 miljoner sekunder, eller 11 och en halv vecka, av Chandra som observerar tiden.

Bilden kommer från det som kallas Chandra Deep Field-South. Den centrala delen av bilden innehåller den högsta koncentrationen av supermassiva svarta hål som någonsin setts, motsvarande cirka 5, 000 objekt som skulle passa in i fullmånens område och ungefär en miljard över hela himlen.

"Med denna fantastiska bild, vi kan utforska de tidigaste dagarna av svarta hål i universum och se hur de förändras under miljarder år, sade Niel Brandt, Verne M. Willaman professor i astronomi och astrofysik, och professor i fysik, Penn State, som ledde ett team av astronomer som studerade den djupa bilden.

Cirka 70 procent av objekten i den nya bilden är supermassiva svarta hål, som kan variera i massa från cirka 100, 000 till 10 miljarder gånger solens massa. Gas som faller mot dessa svarta hål blir mycket varmare när den närmar sig händelsehorisonten, eller point of no return, producerar ljusa röntgenstrålning.

"Det kan vara mycket svårt att upptäcka svarta hål i det tidiga universum eftersom de är så långt borta och de producerar bara strålning om de aktivt drar in materia, " sa teammedlem Bin Luo, professor i astronomi och rymdvetenskap, Nanjings universitet. "Men genom att stirra tillräckligt länge med Chandra, vi kan hitta och studera ett stort antal växande svarta hål, av vilka några dyker upp inte långt efter Big Bang."

Den nya ultradjupa röntgenbilden låter forskare utforska idéer om hur supermassiva svarta hål växte omkring en till två miljarder år efter Big Bang. Med hjälp av dessa data, forskarna visade att dessa svarta hål i det tidiga universum växer mestadels i skurar, snarare än via den långsamma ackumuleringen av materia.

Forskarna har också funnit antydningar om att fröna för supermassiva svarta hål kan vara "tunga" med massor av cirka 10, 000 till 100, 000 gånger solens, snarare än lätta frön med cirka 100 gånger solens massa. Detta tar upp ett viktigt mysterium inom astrofysiken om hur dessa objekt kan växa så snabbt för att nå massor av ungefär en miljard gånger solen i det tidiga universum.

De har också upptäckt röntgenstrålar från massiva galaxer på avstånd upp till cirka 12,5 miljarder ljusår från jorden. Det mesta av röntgenstrålningen från de mest avlägsna galaxerna kommer sannolikt från stora samlingar av svarta hål med stjärnmassa i galaxerna. Dessa svarta hål bildas från kollapsen av massiva stjärnor och väger vanligtvis några till några dussin gånger solens massa.

"Genom att upptäcka röntgenstrålar från så avlägsna galaxer, vi lär oss mer om bildandet och utvecklingen av stjärnmassa och supermassiva svarta hål i det tidiga universum, " sa teammedlemmen Fabio Vito, postdoktor i astronomi och astrofysik, Penn State. "Vi ser tillbaka till tider då svarta hål var i avgörande faser av tillväxt, liknar hungriga spädbarn och ungdomar."

För att utföra denna studie, teamet kombinerade Chandras röntgendata med mycket djupa data från Hubble Space Telescope över samma himmelsträcka. De studerade röntgenstrålning från över 2, 000 galaxer identifierade av Hubble som ligger mellan cirka 12 och 13 miljarder ljusår från jorden.

Ytterligare arbete med Chandra och framtida röntgenobservatorier kommer att behövas för att ge en definitiv lösning på mysteriet om hur supermassiva svarta hål snabbt kan nå stora massor. Ett större urval av avlägsna galaxer kommer från observationer med James Webb Space Telescope, utvidga studiet av röntgenstrålning från svarta hål ut till ännu större avstånd från jorden.

Forskarna presenterade sina resultat idag (5 januari) vid det 229:e mötet för American Astronomical Society-mötet i Grapevine, Texas. Ett papper om tillväxt av svarta hål i det tidiga universum, ledd av Fabio Vito, publicerades den 10 augusti, 2016, frågan om Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . En enkätrapport ledd av Bin Luo antogs nyligen för publicering i The Astrophysical Journal Tilläggsserien.

NASA:s Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, hanterar Chandra-programmet för NASA:s Science Mission Directorate i Washington. Smithsonian Astrophysical Observatory i Cambridge, Massachusetts, kontrollerar Chandras vetenskap och flygverksamhet.

Penn State och MIT, under ledning av Gordon Garmire, Evan Pugh professor emeritus i astronomi, Penn State, utvecklat ACIS-instrumentet för NASA.