När universum var ungt, ett supermassivt svart hål-uppblåst till bristningspunkten med enastående kraft-lyfte ut en stråle av partikelinfunderad energi som sprang genom rymden vid nästan ljusets hastighet.

Miljarder år senare, en trio av forskare vid Clemson University, ledd av College of Science astrofysiker Marco Ajello, har identifierat detta svarta hål och fyra andra liknande det som varierar i ålder från 1,4 miljarder till 1,9 miljarder år gamla. Dessa föremål avger rikliga gammastrålar, ljuset av den högsta energin, som är miljarder gånger mer energiska än ljus som är synligt för det mänskliga ögat.

De tidigare kända tidigaste gammastrålblazrarna-en typ av galax vars intensiva utsläpp drivs av extremt kraftfulla relativistiska jetstrålar som skjutits upp av monstruösa svarta hål-var mer än 2 miljarder år gamla. För närvarande, universum beräknas vara cirka 14 miljarder år gammalt.

"Upptäckten av dessa supermassiva svarta hål, som skjuter ut strålar som avger mer energi på en sekund än vår sol kommer att producera under hela sin livstid, var kulmen på ett årslångt forskningsprojekt, sa Ajello, som har tillbringat mycket av sin karriär för att studera utvecklingen av avlägsna galaxer. "Vårt nästa steg är att öka vår förståelse för de mekanismer som är involverade i bildandet, utveckling och aktiviteter av dessa fantastiska objekt, som är de mest kraftfulla acceleratorerna i universum. Vi kan inte ens komma i närheten av att replikera sådana massiva energiförbrukningar i våra laboratorier. Komplexiteten vi försöker lösa verkar nästan lika mystisk som själva svarta hålen. "

Ajello genomförde sin forskning i samarbete med Clemson post-doc Vaidehi Paliya och doktorand Lea Marcotulli. Trion arbetade nära med Fermi-Large Area Telescope-samarbetet, som är ett internationellt team av forskare som inkluderar Roopesh Ojha, en astronom vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland; och Dario Gasparrini från den italienska rymdorganisationen. Deras vetenskapliga uppsats med titeln "Gamma-Ray Blazars Within the First 2 Billion Years" publicerades måndag i en tidning som heter Astrofysiska tidskriftsbrev . (Ackermann, M., et al. 2017, ApJL , 837, L5.)

Clemson-teamets genombrott möjliggjordes av nyligen juicerad mjukvara på NASA:s Fermi Gamma-ray Telescope. Den renoverade programvaran ökade det kretsande teleskopets känslighet avsevärt till en nivå som gjorde dessa senaste upptäckter möjliga.

"Folk kallar det den billigaste renoveringen i historien, "Sa Ajello." Normalt sett för rymdteleskopet Hubble, NASA var tvungen att skicka någon till rymden för att fysiskt göra sådana här förbättringar. Men i det här fallet, de kunde göra det på distans från en jordbunden plats. Och lika viktigt, förbättringarna var retroaktiva, vilket innebar att de föregående sex åren med data också var helt omarbetade. Detta bidrog till att ge oss den information vi behövde för att slutföra det första steget i vår forskning och även att sträva vidare i inlärningsprocessen. "

Med hjälp av Fermi -data, Ajello och Paliya började med en katalog med 1,4 miljoner kvasarer, som är galaxer som i sina centrum har aktiva supermassiva svarta hål. Under ett år, de minskade sin sökning till 1, 100 föremål. Av dessa, fem bestämdes slutligen för att vara nyupptäckta gammastrålblazrar som var de längsta bort - och yngsta - som någonsin identifierats.

"Efter att ha använt våra filter och andra enheter, vi var kvar med ungefär 1, 100 källor. Och sedan gjorde vi diagnosen för alla dessa och kunde begränsa dem till 25 till 30 källor, "Sade Paliya." Men vi var fortfarande tvungna att bekräfta att det vi hade upptäckt var vetenskapligt autentiskt. Så vi utförde ett antal andra simuleringar och kunde härleda egenskaper som svart hålsmassa och jetkraft. I sista hand, vi bekräftade att dessa fem källor garanterat var gammastrålningsblazarer, där den längsta är cirka 1,4 miljarder år gammal från tidens början. "

Marcotulli, som gick med i Ajellos grupp som doktorand 2016, har studerat blazarernas mekanismer genom att använda bilder och data från ett annat NASA -teleskop i omloppsbana, Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR). I början, Marcotullis roll var att förstå utsläppsmekanismen för gammastrålningsblazrar närmare oss. Nu vänder hon sin uppmärksamhet mot de mest avlägsna föremålen i ett försök att förstå vad som gör dem så kraftfulla.

"Vi försöker förstå hela spektrat av energifördelningen för dessa objekt med hjälp av fysiska modeller, "Sa Marcotulli." Vi kan för närvarande modellera vad som händer mycket mer exakt än tidigare tänkt, och så småningom kommer vi att kunna bättre förstå vilka processer som sker i strålarna och vilka partiklar som utstrålar all energi som vi ser. Är de elektroner? Eller protoner? Hur interagerar de med omgivande fotoner? Alla dessa parametrar är inte helt förstådda just nu. Men varje dag fördjupar vi vår förståelse. "

Alla galaxer har svarta hål i sina centrum - en del livnär sig aktivt på frågan som omger dem, andra ligger relativt vilande. Vår egen galax har i mitten ett superstort svart hål som för närvarande är vilande. Ajello sa att endast ett av var tio svarta hål i dagens universum är aktiva. Men när universum var mycket yngre, det var närmare ett 50-50-förhållande.

De supermassiva svarta hålen i mitten av de fem nyupptäckta blazargalaxerna är bland de största typerna av svarta hål som någonsin observerats, i storleksordningen hundratusentals till miljarder gånger massan av vår egen sol. Och deras åtföljande ackretionsskivor - roterande virvlar runt som kretsar kring de svarta hålen - avger mer än två biljoner gånger energiutsläppet från vår sol.

Ett av de mest överraskande elementen i Ajellos forskning är hur snabbt - genom kosmiska åtgärder - dessa överdimensionerade svarta hål måste ha vuxit på bara 1,4 miljarder år. När det gäller vår nuvarande kunskap om hur svarta hål växer, 1,4 miljarder år är knappt tillräckligt med tid för ett svart hål att nå massan av dem som upptäcktes av Ajellos team.

"Hur bildades dessa ofattbart enorma och energiladdade svarta hål så snabbt?" Sa Ajello. "Är det för att ett svart hål åt mycket hela tiden under mycket lång tid? Eller kanske för att det stötte på andra svarta hål och gick ihop till ett? För att vara ärlig, vi har inga observationer som stöder något av argumenten. Det finns mekanismer på gång som vi ännu inte har tagit fram. Pussel som vi inte har löst ännu. När vi så småningom löser dem, vi kommer att lära oss fantastiska saker om hur universum föddes, hur det växte till vad det har blivit, och vad den avlägsna framtiden kan innehålla när universum fortsätter att utvecklas mot ålderdom. "