Astronomer har upptäckt en typ av växande supermassiva svarta hål som maskerar sig som en annan, tack vare en svit av teleskop inklusive NASA:s Chandra X-ray Observatory. Den sanna identiteten för dessa svarta hål hjälper till att lösa ett långvarigt mysterium inom astrofysik.

De felidentifierade svarta hålen är från en undersökning känd som Chandra Deep Field-South (CDF-S), den djupaste röntgenbilden som någonsin tagits.

Supermassiva svarta hål växer genom att dra in omgivande material, som värms upp och producerar strålning vid ett brett spektrum av våglängder inklusive röntgenstrålar. Många astronomer tror att denna tillväxt inkluderar en fas, som hände för miljarder år sedan, när en tät kokong av damm och gas täcker de flesta svarta hål. Dessa kokonger av material är bränslekällan som gör det möjligt för det svarta hålet att växa och generera strålning.

Baserat på astronomernas nuvarande bild borde många svarta hål nedsänkta i en sådan kokong (kallas "tungt skymd" svarta hål) finnas. Dock, denna typ av växande svarta hål är notoriskt svåra att hitta, och fram tills nu har det observerade antalet sjunkit under förutsägelser – även i de djupaste bilderna som CDF-S.

"Med våra nya identifikationer har vi hittat ett gäng kraftigt dolda svarta hål som tidigare hade missats, " sa Erini Lambrides från Johns Hopkins University (JHU) i Baltimore, Maryland, som ledde studien. "Vi gillar att säga att vi hittade dessa gigantiska svarta hål, men de var verkligen där hela tiden."

Den senaste studien kombinerade över 80 dagar av Chandras observationstid i CDF-S med stora mängder data vid olika våglängder från andra observatorier, inklusive NASA:s rymdteleskop Hubble och NASA:s rymdteleskop Spitzer. Teamet tittade på svarta hål som ligger 5 miljarder ljusår eller mer från jorden. På dessa avstånd, forskare hade redan funnit 67 kraftigt mörka, växande svarta hål med både röntgen- och infraröda data i CDF-S. I denna senaste studie, författarna identifierade ytterligare 28.

Dessa 28 supermassiva svarta hål kategoriserades tidigare på olika sätt - antingen som långsamt växande svarta hål med låg densitet eller obefintliga kokonger, eller som avlägsna galaxer.

"Detta kan betraktas som ett fall av felaktig identitet för svarta hål, " sa medförfattaren Marco Chiaberge från Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland, "men dessa svarta hål är exceptionellt bra på att dölja exakt vad de är."

Lambrides och hennes kollegor jämförde sina data med förväntningar på ett typiskt växande svart hål. Med hjälp av data från alla våglängder utom för röntgenstrålar, de förutspådde mängden röntgenstrålar de borde upptäcka från varje svart hål. Forskarna fann en mycket lägre nivå av röntgenstrålar än de förväntade sig från 28 källor, vilket antyder att kokongen runt dem är ungefär tio gånger tätare än vad forskare tidigare uppskattat för dessa objekt.

Med tanke på kokongens högre densitet, Teamet visade att de felidentifierade svarta hålen producerar mer röntgenstrålar än vad man tidigare trott, men den tätare kokongen hindrar de flesta av dessa röntgenstrålar från att fly och nå Chandra-teleskopet. Detta innebär att de växer snabbare.

Tidigare grupper använde inte analystekniken som antagits av Lambrides och hennes team, inte heller använde de hela uppsättningen data som var tillgänglig för CDF-S, ger dem lite information om kokongernas täthet.

Dessa resultat är viktiga för teoretiska modeller som uppskattar antalet svarta hål i universum och deras tillväxthastigheter, inklusive de med olika mängd obscuration (med andra ord, hur täta deras kokonger är). Forskare designar dessa modeller för att förklara en enhetlig glöd i röntgenstrålar över himlen som kallas "röntgenbakgrunden, " upptäcktes först på 1960-talet. Individuella växande svarta hål observerade i bilder som CDF-S står för det mesta av röntgenbakgrunden.

Röntgenbakgrunden som för närvarande inte är upplöst i enskilda källor domineras av röntgenstrålar med energier över tröskeln som Chandra kan upptäcka. Kraftigt dolda svarta hål är en naturlig förklaring till denna olösta komponent eftersom röntgenstrålar med lägre energi absorberas av kokongen mer än högenergistrålar, och är därför mindre detekterbara. De ytterligare kraftigt dolda svarta hålen som rapporteras här hjälper till att förena tidigare skillnader mellan de teoretiska modellerna och observationerna.

"Det är som att röntgenbakgrunden är en suddig bild som sakta har kommit i fokus i decennier, " sa medförfattaren Roberto Gilli från National Institute of Astrophysics (INAF) i Bologna, Italien. "Vårt arbete har inneburit att förstå arten av de objekt som har varit några av de sista som har lösts."

Förutom att hjälpa till att förklara röntgenbakgrunden, dessa resultat är viktiga för att förstå utvecklingen av supermassiva svarta hål och deras värdgalaxer. Massorna av galaxer och deras supermassiva svarta hål är korrelerade med varandra, vilket betyder att ju mer massiv galaxen är desto mer massiv är det svarta hålet.

En artikel som rapporterar resultaten av denna studie publiceras i The Astrofysisk tidskrift . De andra författarna till tidningen är Timothy Heckman från JHU; Fabio Vito från Pontificia Universidad Católica de Chile, i Santiago, Chile; och Colin Norman från JHU.

NASA:s Marshall Space Flight Center hanterar Chandra-programmet. Smithsonian Astrophysical Observatorys Chandra X-ray Center kontrollerar vetenskap och flygoperationer från Cambridge och Burlington, Massachusetts.