Ett team av astronomer ledda av University of Arizona har observerat en lysande kvasar 13,03 miljarder ljusår från jorden – den mest avlägsna kvasar som hittills upptäckts. Går tillbaka till 670 miljoner år efter Big Bang, när universum bara var 5% av sin nuvarande ålder, kvasaren är värd för ett supermassivt svart hål som motsvarar den sammanlagda massan av 1,6 miljarder solar.

Förutom att vara den mest avlägsna - och i förlängningen, tidigast - kvasar känd, objektet är det första i sitt slag som visar tecken på en utströmmande vind av överhettad gas som flyr ut från omgivningen av det svarta hålet med en femtedel av ljusets hastighet. Förutom att avslöja en stark kvasardriven vind, de nya observationerna visar också intensiv stjärnbildningsaktivitet i värdgalaxen där kvasaren, formellt betecknad J0313-1806, ligger.

Forskarna kommer att presentera sina resultat, som har godkänts för publicering i Astrofysiska tidskriftsbrev , under en presskonferens och ett vetenskapligt föredrag vid American Astronomical Societys 237:e möte, som kommer att hållas i stort sett 11-15 januari.

Den tidigare rekordhållaren bland kvasarer i spädbarnsuniversum upptäcktes för tre år sedan. UArizona-teamet bidrog också till den upptäckten. Kvasarer tros vara resultatet av supermassiva svarta hål som slukar upp omgivande materia, som gas eller till och med hela stjärnor, vilket resulterar i en malström av överhettad materia känd som en ansamlingsskiva som virvlar runt det svarta hålet. På grund av de enorma energier som är involverade, kvasarer är bland de ljusaste källorna i kosmos, överglänser ofta sina värdgalaxer.

Även om J0313-1806 bara är 20 miljoner ljusår längre bort än den tidigare rekordhållaren, den nya kvasaren innehåller ett supermassivt svart hål dubbelt så tungt. Detta markerar ett betydande framsteg för kosmologi, eftersom det ger den starkaste begränsningen hittills för bildandet av svarta hål i det tidiga universum.

"Detta är det tidigaste beviset på hur ett supermassivt svart hål påverkar sin värdgalax runt det, " sa tidningens huvudförfattare Feige Wang, en Hubble-stipendiat vid UArizonas Steward Observatory. "Från observationer av mindre avlägsna galaxer, vi vet att detta måste hända, men vi har aldrig sett det hända så tidigt i universum."

kvasarer som redan samlat miljoner, om inte miljarder, av solmassor i sina svarta hål vid en tidpunkt då universum var mycket ungt utgör en utmaning för forskare som försöker förklara hur de uppstod när de knappt hade tid att göra det. En allmänt accepterad förklaring av svarta håls bildande innebär att en stjärna exploderar upp som en supernova i slutet av sin livstid och kollapsar till ett svart hål. När sådana svarta hål smälter samman med tiden, de kan – teoretiskt sett – växa till supermassiva svarta hål. Dock, ungefär som att det skulle krävas många liv att bygga en pensionsfond genom att lägga in en dollar varje år, kvasarer i det tidiga universum är lite som småbarnsmiljonärer; de måste ha förvärvat sin massa på annat sätt.

Den nyupptäckta kvasaren ger ett nytt riktmärke genom att utesluta två nuvarande modeller av hur supermassiva svarta hål bildas på så korta tidsskalor. I den första modellen, massiva stjärnor som till stor del består av väte och saknar de flesta andra grundämnen som utgör senare stjärnor, inklusive metaller, bildar den första generationen stjärnor i en ung galax och tillhandahåller maten till det begynnande svarta hålet. Den andra modellen involverar täta stjärnhopar, som kollapsar i ett massivt svart hål redan från början.

Quasar J0313-1806, dock, ståtar med ett svart hål som är för stort för att kunna förklaras av de tidigare nämnda scenarierna, enligt teamet som upptäckte det. Teamet beräknade att om det svarta hålet i dess centrum bildades så tidigt som 100 miljoner år efter Big Bang och växte så snabbt som möjligt, den skulle fortfarande ha behövt ha minst 10, 000 solmassor till att börja med.

"Detta säger dig att oavsett vad du gör, fröet till detta svarta hål måste ha bildats av en annan mekanism, " sa medförfattaren Xiaohui Fan, Regents Professor och biträdande chef för UArizona Department of Astronomy. "I detta fall, en som involverar stora mängder ur, kall vätgas kollapsar direkt i ett frösvart hål."

Eftersom denna mekanism inte kräver fullfjädrade stjärnor som råmaterial, det är det enda som skulle tillåta det supermassiva svarta hålet i kvasaren J0313-1806 att växa till 1,6 miljarder solmassor vid en så tidig tidpunkt i universum. Det är detta som gör den nya rekordkvasaren så värdefull, Fan förklarade.

"När du går till lägre rödförskjutningar, alla modeller kan förklara förekomsten av dessa mindre avlägsna och mindre massiva kvasarer, " sa han. "För att det svarta hålet ska ha vuxit till den storlek vi ser med J0313-1806, det måste ha börjat med ett frösvart hål på minst 10, 000 solmassor, och det skulle bara vara möjligt i scenariot med direkt kollaps."

Den nyupptäckta kvasaren tycks ge en sällsynt inblick i en galaxs liv i universums gryning när många av de galaxformande processerna som sedan dess har saktats ned eller upphört i galaxer som har funnits mycket längre fortfarande var i full gång .

Enligt nuvarande modeller av galaxutveckling, supermassiva svarta hål som växer i deras centra kan vara huvudorsaken till att galaxer slutligen slutar skapa nya stjärnor. Agerar som en blåslampa av kosmiska proportioner, kvasarer spränger sin omgivning häftigt, effektivt sveper sin värdgalax ren från mycket av den kalla gasen som fungerar som råmaterial från vilket stjärnor bildas.

"Vi tror att de supermassiva svarta hålen var anledningen till att många av de stora galaxerna slutade bilda stjärnor någon gång, ", sa Fan. "Vi observerar denna "släckning" vid lägre rödförskjutningar, men tills nu, vi visste inte hur tidigt denna process började i universums historia. Denna kvasar är det tidigaste beviset på att släckning kan ha ägt rum vid mycket tidiga tidpunkter."

Genom att mäta kvasarens ljusstyrka, Wangs team beräknade att det supermassiva svarta hålet i dess centrum får i sig en massa som motsvarar 25 solar varje år, i genomsnitt, vilket tros vara huvudorsaken till att dess höghastighets heta plasmavind blåser in i galaxen runt den med relativistisk hastighet. För jämförelse, det svarta hålet i mitten av Vintergatan har blivit mestadels vilande.

Och medan Vintergatan bildar stjärnor i lugn takt av ungefär en solmassa varje år, J0313-1806 slår ut 200 solmassor under samma tidsperiod.

"Detta är en relativt hög stjärnbildningshastighet, liknande den som observerats i andra kvasarer av liknande ålder, och det säger oss att värdgalaxen växer väldigt snabbt, " sa Wang.

"Dessa kvasarer är förmodligen fortfarande i färd med att bygga sina supermassiva svarta hål", tillade Fan. "Över tid, kvasarens utflöde värmer upp och trycker ut all gas ur galaxen, och då har det svarta hålet inget kvar att äta längre och kommer att sluta växa. Detta är bevis på hur dessa tidigaste massiva galaxer och deras kvasarer växer."

Forskarna förväntar sig att hitta några fler kvasarer från samma tidsperiod, inklusive potentiella nya rekordbrytare, sa Jinyi Yang, den andra författaren till rapporten, som är Peter A. Strittmatter-stipendiat vid Steward Observatory. Yang och Fan observerade vid det 6,5 meter långa Magellan Baade-teleskopet vid Las Campanas-observatoriet i Chile natten när J0313-1806 upptäcktes.

"Vår kvasarundersökning täcker ett mycket brett område, så att vi kan skanna nästan hälften av himlen, ", sade Yang. "Vi har valt ut fler kandidater som vi kommer att följa upp med mer detaljerade observationer."

Forskarna hoppas kunna avslöja mer om kvasarens hemligheter med framtida observationer, speciellt med NASA:s rymdteleskop James Webb, för närvarande planerad att lanseras 2021.

"Med markbaserade teleskop, vi kan bara se en punktkälla, " Sa Wang. "Framtida observationer kan göra det möjligt att lösa kvasaren mer i detalj, visa strukturen för dess utflöde och hur långt vinden sträcker sig in i dess galax, och det skulle ge oss en mycket bättre uppfattning om dess evolutionära skede."