Astronomer har upptäckt bevis för en utomordentligt lång stråle av partiklar från ett supermassivt svart hål i det tidiga universum, med hjälp av NASA:s Chandra X-ray Observatory.

Om det bekräftas, det skulle vara det mest avlägsna supermassiva svarta hålet med en stråle som detekteras i röntgenstrålar, kommer från en galax cirka 12,7 miljarder ljusår från jorden. Det kan hjälpa till att förklara hur de största svarta hålen bildades vid en mycket tidig tidpunkt i universums historia.

Jetkällan är en kvasar – ett snabbt växande supermassivt svart hål – som heter PSO J352.4034-15.3373 (förkortat PJ352-15), som sitter i centrum av en ung galax. Det är en av de två kraftigaste kvasarerna som upptäckts i radiovågor under de första miljarderna åren efter Big Bang, och är ungefär en miljard gånger mer massiv än solen.

Hur kan supermassiva svarta hål växa så snabbt för att nå en så enorm massa i denna tidiga epok av universum? Detta är en av nyckelfrågorna inom astronomi idag.

Trots deras kraftfulla gravitation och skrämmande rykte, svarta hål drar inte oundvikligen in allt som närmar sig dem. Material som kretsar runt ett svart hål i en skiva behöver tappa fart och energi innan det kan falla längre inåt för att korsa den så kallade händelsehorisonten, point of no return. Magnetiska fält kan orsaka en bromseffekt på skivan när de driver en jet, vilket är ett viktigt sätt för material i skivan att förlora energi och, därför, öka tillväxten av svarta hål.

"Om en karusell på en lekplats rör sig för snabbt, det är svårt för ett barn att röra sig mot centrum, så någon eller något behöver sakta ner åkturen, " sa Thomas Connor från NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Pasadena, Kalifornien, som ledde studien. "Kring supermassiva svarta hål, vi tror att jetstrålar kan ta bort tillräckligt med energi så att material kan falla inåt och det svarta hålet kan växa."

Astronomer behövde observera PJ352-15 i totalt tre dagar med Chandras skarpa syn för att upptäcka bevis för röntgenstrålen. Röntgenstrålning upptäcktes omkring 160, 000 ljusår bort från kvasaren i samma riktning som mycket kortare jetstrålar som ses i radiovågor. Som jämförelse, hela Vintergatan sträcker sig över cirka 100, 000 ljusår.

PJ352-15 slår ett par olika astronomiska rekord. Först, den längsta jet som tidigare observerats från den första miljarden år efter Big Bang var bara cirka 5, 000 ljusår långa, motsvarande radioobservationerna av PJ352-15. Andra, PJ352-15 är cirka 300 miljoner ljusår längre bort än den mest avlägsna röntgenstrålen som registrerats före den.

"Längden på detta jetplan är betydande eftersom det betyder att det supermassiva svarta hålet som driver den har vuxit under en lång tid, " sa medförfattaren Eduardo Bañados från Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Heidelberg, Tyskland. "Detta resultat understryker hur röntgenstudier av avlägsna kvasarer ger ett kritiskt sätt att studera tillväxten av de mest avlägsna supermassiva svarta hålen."

Ljuset som detekterades från denna jetstrålning sändes ut när universum bara var 0,98 miljarder år gammalt, mindre än en tiondel av sin nuvarande ålder. Vid denna tidpunkt, intensiteten av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (CMB) som blev över från Big Bang var mycket större än den är idag.

När elektronerna i strålen flyger bort från det svarta hålet nära ljusets hastighet, de rör sig igenom och kolliderar med fotoner som utgör CMB-strålningen, öka energin hos fotonerna upp till röntgenområdet för att detekteras av Chandra. I detta scenario, röntgenstrålningen förstärks avsevärt i ljusstyrka jämfört med radiovågor. Detta överensstämmer med observationen att den stora röntgenstrålen inte har någon tillhörande radioemission.

"Vårt resultat visar att röntgenobservationer kan vara ett av de bästa sätten att studera kvasarer med jetstrålar i det tidiga universum, " sa medförfattaren Daniel Stern, även av JPL. "Eller för att uttrycka det på ett annat sätt, Röntgenobservationer i framtiden kan vara nyckeln till att låsa upp hemligheterna i vårt kosmiska förflutna."

En artikel som beskriver dessa resultat har godkänts för publicering i The Astrophysical Journal.