En grupp astronomer, inklusive Penn State-forskare, har meddelat den sannolika upptäckten av ett mycket mörkt svart hål som existerade bara 850 miljoner år efter Big Bang, med hjälp av NASA:s Chandra X-ray Observatory. Detta är det första beviset för ett mörkt svart hål vid en så tidig tidpunkt.

Supermassiva svarta hål växer vanligtvis genom att dra in material från en skiva av omgivande materia. För den snabbaste tillväxten, denna process genererar enorma mängder strålning i ett mycket litet område runt det svarta hålet, och ger en extremt ljus, kompakt källa som kallas en kvasar.

Teoretiska beräkningar indikerar att det mesta av den tidiga tillväxten av svarta hål sker medan det svarta hålet och skivan är omgivna av ett tätt moln av gas som matar in material till skivan. När det svarta hålet växer, gasen i molnet är uttömd tills det svarta hålet och dess ljusa skiva avslöjas.

"Det är utomordentligt utmanande att hitta kvasarer i denna täckta fas eftersom så mycket av deras strålning absorberas och inte kan detekteras av nuvarande instrument, sa Fabio Vito, CAS-CONICYT Fellow vid Pontificia Universidad Católica de Chile, som ledde studien, som han startade som postdoktor vid Penn State. "Tack vare Chandra och röntgenstrålningens förmåga att tränga igenom det mörka molnet, vi tror att vi äntligen har lyckats."

Upptäckten är resultatet av observationer av en kvasar som kallas PSO 167-13, som först upptäcktes av Pan-STARRS, ett optiskt ljusteleskop på Hawaii. Optiska observationer från dessa och andra undersökningar har resulterat i upptäckten av cirka 200 kvasarer som redan lyser starkt när universum var mindre än en miljard år gammalt, eller cirka 8 procent av sin nuvarande ålder. Dessa undersökningar ansågs bara vara effektiva för att hitta fria svarta hål, eftersom strålningen de upptäcker dämpas av även tunna moln av omgivande gas och damm. Därför förväntades PSO 167-13 vara avskärmad.

Vitos team kunde testa denna idé genom att göra Chandra-observationer av PSO 167-13 och nio andra kvasarer som upptäckts med optiska undersökningar. Efter 16 timmars observation upptäcktes endast tre röntgenfotoner från PSO 167-13, alla med relativt höga energier. Lågenergiröntgenstrålar absorberas lättare än högenergistrålar, så den troliga förklaringen till Chandra-observationen är att kvasaren är mycket skymd av gas, så att endast högenergiröntgenstrålar kan detekteras.

"Detta var en fullständig överraskning, " sa medförfattaren Niel Brandt, Verne M. Willaman Professor i astronomi och astrofysik och professor i fysik vid Penn State. "Det var som att vi väntade en nattfjäril men såg en kokong istället. Ingen av de andra nio kvasarerna vi observerade var täckta, vilket är vad vi förväntade oss."

En intressant vändning för PSO 167-13 är att galaxen som är värd för kvasaren har en nära följeslagargalax som är synlig i data som tidigare erhållits med Atacama Large Millimeter Array (ALMA) av radioskålar i Chile och NASA:s rymdteleskop Hubble. På grund av deras nära separation och röntgenkällans svaghet, teamet kunde inte avgöra om den nyupptäckta röntgenstrålningen är associerad med kvasaren PSO 167-13 eller med följegalaxen.

Om röntgenstrålarna kommer från den kända kvasaren, då måste astronomer utveckla en förklaring till varför kvasaren verkade mycket mörk i röntgenstrålar men inte i optiskt ljus. En möjlighet är att det har skett en stor och snabb ökning av obscuration av kvasaren under de 3 åren mellan det att de optiska och röntgenobservationerna gjordes.

Å andra sidan, om istället röntgenstrålar kommer från följegalaxen, då representerar det upptäckten av en ny kvasar i närheten av PSO 167-13. Detta kvasarpar skulle vara det mest avlägsna hittills upptäckt, slog rekordet 1,2 miljarder år efter Big Bang. I något av dessa två fall, den kvasar som upptäckts av Chandra skulle vara den mest avlägsna mantel som hittills setts. Den tidigare rekordhållaren observeras 1,3 miljarder år efter Big Bang. Författarna planerar att göra en mer förfinad karakterisering av källan med uppföljande observationer.

"Med en längre Chandra-observation, vi kommer att kunna få en bättre uppskattning av hur mörkt detta svarta hål är, sa medförfattaren Franz Bauer, också från Pontificia Universidad Católica de Chile och en tidigare postdoktoral forskare i Penn State, "och gör en säker identifiering av röntgenkällan med antingen den kända kvasaren eller medföljande galaxen."

Författarna planerar också att söka efter fler exempel på mycket mörka svarta hål.

"Vi misstänker att majoriteten av supermassiva svarta hål i det tidiga universum är täckta:det är då avgörande att upptäcka och studera dem för att förstå hur de kunde växa till massor av en miljard solar så snabbt, " sa medförfattaren Roberto Gilli på INAF i Bologna, Italien.

En artikel som beskriver dessa resultat visas online den 8 augusti i tidskriften Astronomi &Astrofysik . NASA:s Marshall Space Flight Center hanterar Chandra-programmet. Smithsonian Astrophysical Observatorys Chandra X-ray Center kontrollerar vetenskap och flygoperationer från Cambridge, MA. Data som användes i denna forskning samlades in med hjälp av Advanced CCD Imaging Spectrometer på Chandra, ett instrument utformat och designat av ett team ledd av Penn State Evan Pugh professor emeritus i astronomi och astrofysik Gordon Garmire.

Förutom Vito, Brandt, och Bauer, forskargruppen inkluderar också tidigare Penn State postdoktorala forskare Ohad Shemmer, Cristian Vignali, och Bin Luo, som också tog sin doktorsexamen vid Penn State.