För miljarder år sedan, i mitten av en galaxhop långt, långt borta (15 miljarder ljusår, för att vara exakt), ett svart hål spydde ut plasmastrålar. När plasman rusade ut ur det svarta hålet, det sköt bort material, skapa två stora hålrum 180 grader från varandra. På samma sätt kan du beräkna energin för en asteroidnedslag efter storleken på dess krater, Michael Calzadilla, en doktorand vid MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI), använde storleken på dessa håligheter för att ta reda på kraften i det svarta hålets utbrott.

I en färsk tidning i Astrofysiska tidskriftsbrev , Calzadilla och hans medförfattare beskriver utbrottet i galaxhopen SPT-CLJ0528-5300, eller SPT-0528 för kort. Kombinera volymen och trycket av den undanträngda gasen med åldern på de två hålrummen, de kunde beräkna den totala energin för utbrottet. Vid mer än 10 ⁵⁴ joule av energi, en kraft motsvarande cirka 10 ³⁸ kärnvapenbomber, detta är det kraftigaste utbrottet som rapporterats i en avlägsen galaxhop. Medförfattare till artikeln inkluderar MKI-forskaren Matthew Bayliss och biträdande professor i fysik Michael McDonald.

Universum är prickat med galaxhopar, samlingar av hundratals och till och med tusentals galaxer som är genomsyrade av het gas och mörk materia. I mitten av varje kluster finns ett svart hål, som går igenom perioder av matning, där den slukar upp plasma från klustret, följt av perioder av explosiva utbrott, där den skjuter ut plasmastrålar när den väl har fyllts. "Detta är ett extremfall av utbrottsfasen, " säger Calzadilla om deras observation av SPT-0528. Även om utbrottet inträffade för miljarder år sedan, innan vårt solsystem ens hade bildats, det tog cirka 6,7 ​​miljarder år för ljuset från galaxhopen att färdas hela vägen till Chandra, NASA:s röntgenobservatorium som kretsar runt jorden.

Eftersom galaxhopar är fulla av gas, tidiga teorier om dem förutspådde att när gasen kyldes, hoparna skulle se höga takter av stjärnbildning, som behöver kall gas för att bildas. Dock, dessa kluster är inte så coola som förutspått och, som sådan, producerade inte nya stjärnor i den förväntade takten. Något hindrade gasen från att svalna helt. De skyldiga var supermassiva svarta hål, vars plasmautbrott håller gasen i galaxhopar för varm för snabb stjärnbildning.

Det inspelade utbrottet i SPT-0528 har en annan egenhet som skiljer det från andra svarta håls utbrott. Det är onödigt stort. Astronomer tänker på processen med gaskylning och het gasutsläpp från svarta hål som en jämvikt som håller temperaturen i galaxhopen - som svävar runt 18 miljoner grader Fahrenheit - stabil. "Det är som en termostat, " säger McDonald. Utbrottet i SPT-0528, dock, är inte i jämvikt.

Enligt Calzadilla, om du tittar på hur mycket kraft som frigörs när gasen kyls ner i det svarta hålet kontra hur mycket kraft som finns i utbrottet, utbrottet överdriver det enormt. I McDonalds analogi, utbrottet i SPT-0528 är en felaktig termostat. "Det är som om du kylde luften med 2 grader, och termostatens svar var att värma upp rummet med 100 grader, McDonald förklarar.

Tidigare under 2019, McDonald och kollegor släppte ett papper som tittade på en annan galaxhop, en som visar ett helt motsatt beteende mot SPT-0528. Istället för ett onödigt våldsamt utbrott, det svarta hålet i denna klunga, kallad Phoenix, kan inte hindra gasen från att svalna. Till skillnad från alla andra kända galaxhopar, Phoenix är fullt av unga stjärna plantskolor, vilket skiljer den från de flesta galaxhopar.

"Med dessa två galaxhopar, vi tittar verkligen på gränserna för vad som är möjligt vid de två ytterligheterna, " McDonald säger om SPT-0528 och Phoenix. Han och Calzadilla kommer också att karakterisera de mer normala galaxhoparna, för att förstå utvecklingen av galaxhopar över kosmisk tid. För att utforska detta, Calzadilla karaktäriserar 100 galaxhopar.

Anledningen till att karakterisera en så stor samling galaxhopar är att varje teleskopbild fångar hoparna vid ett specifikt ögonblick, medan deras beteenden sker över kosmisk tid. Dessa kluster täcker en rad avstånd och åldrar, låter Calzadilla undersöka hur egenskaperna hos kluster förändras över kosmisk tid. "Det här är tidsskalor som är mycket större än en mänsklig tidsskala eller vad vi kan observera, " förklarar Calzadilla.

Forskningen liknar den hos en paleontolog som försöker rekonstruera utvecklingen av ett djur från ett sparsamt fossilregister. Men, istället för ben, Calzadilla studerar galaxhopar, allt från SPT-0528 med sitt våldsamma plasmautbrott i ena änden till Phoenix med sin snabba nedkylning i den andra. "Du tittar på olika ögonblicksbilder i tiden, " säger Calzadilla. "Om du bygger tillräckligt stora prover av var och en av dessa ögonblicksbilder, du kan få en känsla av hur en galaxhop utvecklas."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.