Man tror att bildandet och tillväxten av de flesta galaxer genom universums historia har drivits på av supermassiva svarta hål som växer tillsammans med deras värdgalax när de samlar materia för att nå miljontals solmassor. Att jaga de tidiga stadierna av dessa extrema objekt är ett av uppdragen för framtida kraftfulla teleskop.

En ny och heltäckande uppskattning har nu presenterats i en studie ledd av forskare vid Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA). Studien förutspår antalet mycket unga galaxer med aktiva supermassiva svarta hål i sina kärnor som borde ha existerat när universum var mindre än 7 procent av sin nuvarande ålder, och som är inom räckhåll för framtida röntgen- och radioteleskop som redan är under tillverkning. Den publicerades i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society , och presenterades denna vecka vid SPARCS IX-mötet, där vetenskapen och tekniken för det framtida Square Kilometer Array (SKA) radioteleskopet diskuteras.

Resultaten kan vägleda de mest effektiva observationsplanerna för SKA och för ESA:s rymdobservatorium Athena. Båda observatorierna kommer att användas för att titta djupt in i samma period i historien om universum som utforskats av denna studie.

"Eftersom det är en lång väntan tills Athena och SKA kommer att vara tillgängliga för vetenskap, det finns tid att ändra sina mål till det bästa, " säger Stergios Amarantidis, av IA och Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (FCUL), tidningens första författare. "Till exempel, ett tidigare vitbok från Athena nämner en förutsägelse av en storleksordning färre supermassiva svarta hål än vi hittade. De kommer att använda sitt resultat för att göra en preliminär plan för framtida undersökningar. Våra resultat kan nu användas för att förbättra strategin och förbereda mer effektiva undersökningar."

Författarna utökar tidigare arbete som gjorts av andra i den synliga delen och röntgendelen av spektrumet genom att lägga till förutsägelser för radio- och röntgenobservationer, och för det mer avlägsna universum. I detta sammanhang, Röntgenstrålar produceras av mycket het materia som spiralerar extremt snabbt när den faller ner i det svarta hålet, och signalerar galaxer med deras centra vända mot jorden. Radioutsläpp, å andra sidan, signalerar ofta galaxer som ses på kanten, och produceras av kraftfulla strålar av partiklar som kastas bort från det svarta hålets närhet och interagerar med gasen utanför galaxen.

Genom att använda åtta beräkningsmodeller utvecklade av andra team och tillämpa nuvarande kunskap om galaxutveckling, forskarna förutspådde att i ett område på himlen lika stor som fullmånen, Athena kommer att kunna upptäcka röntgenaktivitet från cirka 2, 500 supermassiva svarta hål i kärnorna av mycket unga galaxer i det tidiga universum. Resultaten tyder på att radioutsläpp kommer att vara mindre rikligt vid dessa tidiga åldrar, men kraftfulla teleskop som SKA kommer fortfarande att kunna identifiera tiotals av dessa källor i samma område på himlen.

Beräkningsmodellerna utvecklades och finjusterades med hjälp av vilka observationer av miljöerna där galaxer utvecklas i det närliggande universum. En av modellernas begränsningar, bevisas av denna studie, är deras dåliga förmåga att förutsäga de få, mycket lysande, aktiva galaktiska centra som redan är kända för att existera i avlägsna epoker. Att öka storleken på simuleringarna och beräkningsresurserna är nödvändigt för att övervinna denna begränsning och för att korrekt förstå hur de första galaxerna och supermassiva svarta hålen dök upp och utvecklades.

"Detta arbete visar på prediktionsförmågan hos nuvarande toppmoderna modeller av galaxbildning, och kommer att vägleda oss att bättre utnyttja de kraftfulla teleskop som byggs, säger José Afonso, av IA och FCUL, och andra författare till tidningen. "På samma gång, det visar också var vår förståelse av de första aktiva galaxerna fortfarande behöver förbättras, något som kommer att kräva alla våra observationsinsatser under de kommande åren. Det tidiga universum är fortfarande till stor del svårt att förklara."