Astronomer har upptäckt den mest massiva kvasaren som var kända i det tidiga universum, som innehåller ett monstersvart hål med en massa som motsvarar 1,5 miljarder solar. Formellt betecknad som J1007+2115, den nyupptäckta kvasaren är en av endast två kända från samma kosmologiska period. Kvasarer är de mest energirika objekten i universum, och sedan deras upptäckt, astronomer har varit angelägna om att avgöra när de först dök upp i vår kosmiska historia.

För att hedra sin upptäckt via teleskop på Maunakea, ett berg vördat i den hawaiianska kulturen, kvasaren fick det hawaiiska namnet Pōniuāʻena, som betyder "osynlig källa till skapelsen, omgiven av briljans." Det är den första kvasaren som fått ett inhemskt namn, som skapades av 30 hawaiianska lärare under en workshop ledd av A Hua He Inoa-gruppen, ett hawaiiskt namnprogram som leds av 'Imiloa Astronomy Center of Hawaii'.

Enligt nuvarande teori, kvasarer drivs av supermassiva svarta hål. När de svarta hålen slukar upp omgivande materia som damm, gas eller till och med hela stjärnor, de avger enorma mängder energi, vilket resulterar i ljusstyrkor som är kända för att överglänsa hela galaxer.

Det supermassiva svarta hålet som driver Pōniuāʻena gör denna kvasar till den mest avlägsna, och därför tidigast, objekt som i universum är känt för att vara värd för ett svart hål som överstiger 1 miljard solmassor. Enligt en ny studie som dokumenterar kvasarens upptäckt, ljuset från Pōniuāʻena tog 13,02 miljarder år att nå jorden – och började sin resa bara 700 miljoner år efter Big Bang.

"Det är det tidigaste monstret av det här slaget som vi känner till, sa Jinyi Yang, en postdoktorand forskningsassistent vid University of Arizonas Steward Observatory och huvudförfattare till studien, som kommer att publiceras i The Astrofysiska tidskriftsbrev . "Tiden var för kort för att den skulle växa från ett litet svart hål till den enorma storlek vi ser."

Frågan om hur ett så massivt svart hål kunde förverkligas när universum fortfarande var i sin linda har irriterat astronomer och kosmologer under lång tid, sa medförfattaren Xiaohui Fan, Regents' Professor och biträdande chef för UArizona Department of Astronomy.

"Denna upptäckt utgör den största utmaningen hittills för teorin om svarta håls bildning och tillväxt i det tidiga universum, " sa Fan.

Föreställningen att ett svart hål av Pōniuāʻenas proportioner kunde ha utvecklats från ett mycket mindre svart hål som bildades av kollapsen av en enda stjärna på så kort tid eftersom Big Bang är näst intill omöjligt, enligt nuvarande kosmologiska modeller.

Istället, studieförfattarna föreslår att kvasaren skulle ha behövt börja som ett "frö" svart hål som redan innehåller motsvarande massa på 10, 000 solar så tidigt som 100 miljoner år efter Big Bang.

En tillbakablick på ett ungt universum

Pōniuāʻena upptäcktes genom ett systematiskt sökande efter de mest avlägsna kvasarerna. Det började med att forskargruppen kammade igenom stora områdesundersökningar som bildundersökningen DECaLS, som använder Dark Energy Camera på Víctor M. Blanco 4-metersteleskopet som ligger vid Cerro Tololo Inter-American Observatory i Chile, och UHS-bildundersökningen, som använder Wide Field Camera på det brittiska infraröda teleskopet, ligger vid Maunakea.

Teamet upptäckte en möjlig kvasar i data och, under 2019, observerade det med teleskop inklusive Gemini North-teleskopet och W. M. Keck Observatory, båda på Maunakea. Magellan-teleskopet vid Las Campanas-observatoriet i Chile bekräftade existensen av Pōniuāʻena.

"Observationer med Tvillingarna var avgörande för att erhålla de högkvalitativa nära-infraröda spektra som försåg oss med mätningen av det svarta hålets häpnadsväckande massa, " sa medförfattaren Feige Wang, en NASA Hubble Fellow vid Steward Observatory.

Upptäckten av en kvasar från kosmos gryning ger forskare en sällsynt inblick i en tid då universum fortfarande var ungt och mycket annorlunda än vad vi ser idag, sa forskarna.

Nuvarande teori antyder att i början av universum, efter Big Bang, atomer var för långt från varandra för att interagera och bilda stjärnor och galaxer. Födelsen av stjärnor och galaxer som vi känner dem hände under återjoniseringens epok, cirka 400 miljoner år efter Big Bang.

"I efterdyningarna av Big Bang, universum var väldigt kallt, för det fanns inga stjärnor ännu; inget ljus, ", sa Fan. "Det tog cirka 300 till 400 miljoner år för de första stjärnorna och galaxerna att dyka upp, och de började värma upp universum."

Under påverkan av uppvärmning, vätemolekyler strippades från elektroner i en process som kallas jonisering. Denna process varade bara några hundra miljoner år – ett ögonblick i universums liv – och är föremål för pågående forskning.

Upptäckten av kvasarer som Pōniuāʻena, djupt in i återjoniseringstiden, är ett stort steg mot att förstå processen för återjonisering och bildandet av tidiga supermassiva svarta hål och massiva galaxer. Pōniuāʻena har lagt nya och viktiga begränsningar på utvecklingen av materien mellan galaxer, känt som det intergalaktiska mediet, under återjoniseringstiden.

"Denna kvasar ser ut som om den upptäcktes precis i mitten av den perioden, "Fan sa, "och det faktum att vi kan observera dessa föremål hjälper oss att förfina vad som hände under den perioden."

Under 2018, undersökningsteamet tillkännagav upptäckten av den mest avlägsna kvasaren som hittills hittats. Betecknad som J1342+0928, det objektet är 2 miljoner år äldre än Pōniuāʻena - en ganska obetydlig skillnad med kosmiska mått mätt, enligt Fan, som var involverad i båda upptäckterna, som gjordes med hjälp av det internationella Gemini Observatory och Cerro Tololo Inter-American Observatory – båda programmen från National Science Foundations National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory.

"Skillnaden på 2 miljoner ljusår av 13 miljarder gör det ganska nära oavgjort, " sa Fan.