En långvarig fråga inom astrofysik är:hur och när uppstod och växte supermassiva svarta hål i det tidiga universum? Ny forskning som använder NASA:s Chandra X-ray Observatory och Sloan Digital Sky Survey (SDSS) tyder på att svaret på denna fråga ligger i det intermittenta sättet som jättesvarta hål kan konsumera material under de första miljarderna åren efter Big Bang.

Astronomer har fastställt att Big Bang inträffade för cirka 13,8 miljarder år sedan och har bevis från SDSS att supermassiva svarta hål med massor av ungefär en miljard gånger solens massor fanns för cirka 12,8 miljarder år sedan. Detta antyder att supermassiva svarta hål växte snabbt under de första miljarderna åren efter Big Bang. Än, forskare har kämpat för att hitta tecken på dessa växande gigantiska svarta hål.

"Supermassiva svarta hål föds inte spontant - de behöver få i sig enorma mängder material och det tar tid, " sa huvudförfattaren Edwige Pezzulli, Doktorand vid universitetet i Rom i Italien och medlem i projektet "FIRST", finansierat av Europeiska forskningsrådet. "Vi försöker ta reda på hur de har gjort detta utan att ge ifrån sig många tecken på denna tillväxt."

När material faller mot ett svart hål, det blir hett, och producerar stora mängder elektromagnetisk strålning, inklusive riklig röntgenstrålning. Snabbt växande svarta hål i det mycket tidiga universum borde kunna upptäckas med Chandra. Dock, dessa växande supermassiva svarta hål har visat sig vara svårfångade, med bara ett fåtal, ännu inte bekräftade kandidater som finns i mycket långa Chandra-observationer som Chandra Deep Field-South, den djupaste röntgenbilden som någonsin tagits.

För att ta itu med denna gåta, Pezzulli och hennes kollegor undersökte olika teoretiska modeller och testade dem mot optisk data från SDSS och röntgendata från Chandra. Deras resultat tyder på att matning med svarta hål under denna era kan slå på plötsligt och pågå under korta tidsperioder, vilket innebär att denna tillväxt kan vara svår att upptäcka.

"I vår modell konsumerade bara cirka en tredjedel av de svarta hålen material aktivt och växte för 13 miljarder år sedan", säger medförfattaren Rosa Valiante från National Institute for Astrophysics (INAF) i Italien och medlem av FIRST-teamet. "Omkring 200 miljoner år tidigare äter bara 3% av de svarta hålen aktivt. Tajming, det verkar som, kan vara allt."

Forskarna drog sina slutsatser efter att ha testat flera hypoteser, som alla antog att tillväxten av svarta hål kunde överskrida den så kallade Eddington-gränsen, där strålningstrycket utåt från den heta gasen balanserar inåtdragningen av det svarta hålets gravitation.

Författarnas resultat argumenterade mot möjligheten att endast en liten del av galaxerna under de första miljarderna åren efter Big Bang innehåller supermassiva svarta hål. Också, även om dessa tidiga svarta hål troligen var skymd av tjocka moln av material, författarna fann att de flesta röntgenstrålar skulle ha kunnat penetrera dessa moln.

Studien bygger på tanken att när de föddes, de första svarta hålen vägde bara omkring hundra solar. "Dessa "lätta" frön av svarta hål kan vara resterna av den första generationen av massiva stjärnor som bildades bara några hundra miljoner år efter Big Bang", sa medförfattaren Maria Orofino, Doktorand vid Scuola Normale Superiore i Italien.

Forskarna, ett team av kvinnliga forskare, inklusive Simona Gallerani från Scuola Normale Superiore i Pisa och Tullia Sbarrato från Bicocca University of Milano, i Italien, fann att svarta hål kan bulka upp så mycket i sina relativt sällsynta explosioner av intensiv tillväxt att lätta frön kan nå en miljard gånger solens massa när universum bara är en miljard år gammalt.

"För att veta om vi i slutändan har rätt, vi kommer att behöva titta på större delar av himlen med röntgenstrålar för att se om vi kan hitta det tidiga, festa svarta hål som våra modeller har förutspått, sa Raffaella Schneider, vid Sapienza University i Italien och ledare för ERC -projektet FIRST. "Våra resultat visar verkligen lovande."