Ett team av astronomer, inklusive två från MIT, har upptäckt det mest avlägsna supermassiva svarta hål som någonsin observerats. Det svarta hålet sitter i mitten av en ultraljus kvasar, vars ljus sänds ut bara 690 miljoner år efter Big Bang. Det har tagit ungefär 13 miljarder år för det ljuset att nå oss – en tidsrymd som är nästan lika med universums ålder.

Det svarta hålet mäts vara cirka 800 miljoner gånger så massivt som vår sol – en Goliat med dagens mått mätt och en relativ anomali i det tidiga universum.

"Detta är det enda föremål vi har observerat från den här eran, " säger Robert Simcoe, Francis L. Friedman professor i fysik vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Den har en extremt hög massa, och ändå är universum så ungt att den här saken inte borde existera. Universum var helt enkelt inte tillräckligt gammalt för att göra ett så stort svart hål. Det är väldigt förbryllande."

Till det svarta hålets intriger bidrar miljön där det bildades:Forskarna har kommit fram till att det svarta hålet tog form precis när universum genomgick en fundamental förändring, från en ogenomskinlig miljö dominerad av neutralt väte till en där de första stjärnorna började blinka. När fler stjärnor och galaxer bildades, de genererade så småningom tillräckligt med strålning för att vända väte från neutral, ett tillstånd där vätes elektroner är bundna till sin kärna, att joniseras, där elektronerna frigörs för att rekombinera slumpmässigt. Denna förändring från neutralt till joniserat väte representerade en fundamental förändring i universum som har bestått fram till denna dag.

Teamet tror att det nyupptäckta svarta hålet fanns i en miljö som var ungefär halvneutral, hälften joniserad.

"Vad vi har funnit är att universum var ungefär 50/50 - det är ett ögonblick då de första galaxerna dök upp ur sina kokonger av neutral gas och började lysa sig ut, " säger Simcoe. "Detta är den mest exakta mätningen på den tiden, och en verklig indikation på när de första stjärnorna tändes."

Simcoe och postdoc Monica L. Turner är MIT-medförfattare till en artikel som beskriver resultaten, publiceras idag i tidskriften Natur . De andra huvudförfattarna är från Carnegie Institution for Science, i Pasadena, Kalifornien.

En förskjutning, i hög hastighet

Det svarta hålet upptäcktes av Eduardo Bañados, en astronom på Carnegie, som hittade objektet medan han kammade sig igenom flera undersökningar i hela himlen, eller kartor över det avlägsna universum. Bañados letade särskilt efter kvasarer - några av de ljusaste föremålen i universum, som består av ett supermassivt svart hål omgivet av virvlande, ansamlande skivor av materia.

Efter att ha identifierat flera föremål av intresse, Bañados fokuserade på dem med hjälp av ett instrument som kallas FIRE (den hopfällda infraröda Echellette), som byggdes av Simcoe och fungerar vid Magellan-teleskopen med en diameter på 6,5 meter i Chile. FIRE är en spektrometer som klassificerar objekt baserat på deras infraröda spektra. Ljuset från mycket fjärran, tidiga kosmiska objekt skiftar mot rödare våglängder på sin resa genom universum, när universum expanderar. Astronomer hänvisar till detta Doppler-liknande fenomen som "rödförskjutning"; ju längre ett föremål är, ju längre dess ljus har skiftat mot det röda, eller infraröd ände av spektrumet. Ju högre ett objekts rödförskjutning, ju längre bort det är, både i rum och tid.

Använder FIRE, teamet identifierade ett av Bañados objekt som en kvasar med en rödförskjutning på 7,5, vilket betyder att föremålet avgav ljus omkring 690 miljoner år efter Big Bang. Baserat på kvasarens rödförskjutning, forskarna beräknade massan av det svarta hålet i dess centrum och fastställde att det är cirka 800 miljoner gånger solens massa.

"Något gör att gasen i kvasaren rör sig i mycket hög hastighet, och det enda fenomen vi känner till som uppnår sådana hastigheter är att kretsa runt ett supermassivt svart hål, " säger Simcoe.

När de första stjärnorna tändes

Den nyligen identifierade kvasaren verkar befinna sig i ett avgörande ögonblick i universums historia. Omedelbart efter Big Bang, universum liknade en kosmisk soppa av het, extremt energirika partiklar. När universum expanderade snabbt, dessa partiklar kyldes och smälte samman till neutral vätgas under en era som ibland kallas den mörka medeltiden – en period som saknar ljuskällor. Så småningom, gravitationen kondenserade materia till de första stjärnorna och galaxerna, som i sin tur producerade ljus i form av fotoner. När fler stjärnor tändes i hela universum, deras fotoner reagerade med neutralt väte, joniserar gasen och sätter igång det som kallas återjoniseringens epok.

Simcoe, Bañados, och deras kollegor tror att den nyupptäckta kvasaren existerade under denna grundläggande övergång, precis vid den tidpunkt då universum genomgick en drastisk förändring i sitt mest rikliga element.

Forskarna använde FIRE för att fastställa att en stor del av vätet som omger kvasaren är neutralt. De extrapolerade från det för att uppskatta att universum som helhet troligen var ungefär hälften neutralt och hälften joniserat när de observerade kvasaren. Från detta, de drog slutsatsen att stjärnor måste ha börjat tändas under denna tid, 690 miljoner år efter Big Bang.

"Detta bidrar till vår förståelse av vårt universum i stort eftersom vi har identifierat det ögonblicket när universum är mitt i denna mycket snabba övergång från neutral till joniserad, "Säger Simcoe. "Vi har nu de mest exakta mätningarna hittills av när de första stjärnorna tändes."

Det finns ett stort mysterium som återstår att lösa:Hur bildades ett svart hål av så massiva proportioner så tidigt i universums historia? Man tror att svarta hål växer genom att anhopa, eller absorbera massa från den omgivande miljön. Extremt stora svarta hål, som den som identifierats av Simcoe och hans kollegor, bör bildas under perioder mycket längre än 690 miljoner år.

"Om du börjar med ett frö som en stor stjärna, och låt det växa i högsta möjliga takt, och börja i ögonblicket av Big Bang, du skulle aldrig kunna göra något med 800 miljoner solmassor – det är orealistiskt, " säger Simcoe. "Så det måste finnas ett annat sätt att det bildades. Och hur exakt det händer, ingen vet."