Genom att dra fördel av en naturlig lins i rymden, astronomer har fångat en aldrig tidigare skådad titt på röntgenstrålar från ett svarthålssystem i det tidiga universum.

Detta förstoringsglas användes för att skärpa röntgenbilder för första gången med hjälp av NASA:s Chandra X-ray Observatory. Den fångade detaljer om svarta hål som normalt skulle vara för långt borta för att kunna studeras med hjälp av befintliga röntgenteleskop.

Astronomer tillämpade ett fenomen som kallas "gravitationslinsning" som uppstår när vägen som tas av ljus från avlägsna föremål böjs av en stor koncentration av massa, som en galax, som ligger längs siktlinjen. Denna linsering kan förstora och förstärka ljuset i stora mängder och skapa dubbla bilder av samma objekt. Konfigurationen av dessa dubbletter av bilder kan användas för att dechiffrera objektets komplexitet och skärpa bilder.

Det gravitationslinsade systemet i den nya studien kallas MG B2016+112. Röntgenstrålningen som upptäcktes av Chandra sändes ut av detta system när universum bara var 2 miljarder år gammalt, jämfört med dess nuvarande ålder på nästan 14 miljarder år.

"Våra ansträngningar att se och förstå sådana avlägsna objekt i röntgenstrålar skulle vara dömda om vi inte hade ett naturligt förstoringsglas som detta, " sa Dan Schwartz från Center for Astrophysics, Harvard &Smithsonian (CfA), som ledde studien.

Den senaste forskningen bygger på tidigare arbete ledd av medförfattaren Cristiana Spingola, för närvarande vid det italienska nationella institutet för astrofysik (INAF) i Bologna, Italien. Med hjälp av radioobservationer av MG B2016+112, hennes team hittade bevis för ett par snabbt växande supermassiva svarta hål åtskilda av endast cirka 650 ljusår. De fann att båda svarta hålskandidaterna möjligen har jetplan.

Med hjälp av en gravitationslinsmodell baserad på radiodata, Schwartz och hans kollegor drog slutsatsen att de tre röntgenkällor som de upptäckte från MG B2016+112-systemet måste ha ett resultat av linsning av två distinkta objekt. Dessa två röntgenstrålande objekt är troligen ett par växande supermassiva svarta hål eller ett växande supermassivt svart hål och dess jet. Den uppskattade separationen av dessa två objekt överensstämmer med radioarbetet.

Tidigare Chandra-mätningar av par eller trios av växande supermassiva svarta hål har i allmänhet involverat objekt mycket närmare jorden, eller med mycket större avstånd mellan objekten. En röntgenstråle på ännu större avstånd från jorden har tidigare observerats, med ljus som sänds ut när universum bara var 7% av sin nuvarande ålder. Dock, emissionen från jetstrålen separeras från det svarta hålet med cirka 160, 000 ljusår.

Det aktuella resultatet är viktigt eftersom det ger viktig information om tillväxthastigheten för svarta hål i det tidiga universum och upptäckten av ett möjligt dubbelt svart hålssystem. Gravitationslinsen förstärker ljuset från dessa långt borta föremål som annars skulle vara för svaga för att upptäcka. Det detekterade röntgenljuset från ett av objekten i MG B2016+112 kan vara upp till 300 gånger starkare än det skulle ha varit utan linsen.

"Astronomer har upptäckt svarta hål med massor av miljarder gånger större än vår sol, som bildades bara hundratals miljoner år efter big bang, när universum bara var några få procent av sin nuvarande ålder, " sa Spingola. "Vi vill lösa mysteriet om hur dessa supermassiva svarta hål fick massa så snabbt."

Förstärkningarna från gravitationslinser kan göra det möjligt för forskare att uppskatta hur många system som innehåller två supermassiva svarta hål har separationer som är tillräckligt små för att producera gravitationsvågor som kan observeras i framtiden med rymdbaserade detektorer.

"På många sätt, detta resultat är ett spännande bevis på hur detta "förstoringsglas" kan hjälpa oss att avslöja fysiken i de avlägsna supermassiva svarta hålen i ett nytt tillvägagångssätt. Utan denna effekt skulle Chandra ha behövt observera det några hundra gånger längre och inte ens då skulle avslöja de komplexa strukturerna, " sa medförfattaren Anna Barnacka från CfA och Jagiellonian University, som utvecklade teknikerna för att förvandla gravitationslinser till högupplösta teleskop för att skärpa bilderna.

"Tack vare gravitationslinser kan mycket längre Chandra-observationer kunna skilja mellan det svarta hålsparet och det svarta hålet plus jetförklaringar. Vi ser också fram emot att tillämpa denna teknik i framtiden, särskilt som undersökningar av stora nya optiska och radioanläggningar som snart kommer att sätta igång kommer att leverera tiotusentals mål, avslutade Schwartz.

Osäkerheten i röntgenpositionen för ett av objekten i MG B2016+112 är 130 ljusår i en dimension och 2, 000 ljusår i den andra, vinkelrät dimension. Detta betyder att storleken på området där källan sannolikt är belägen är mer än 100 gånger mindre än motsvarande yta för en typisk Chandra-källa som inte är linserad. En sådan precision i en positionsbestämning är oöverträffad inom röntgenastronomi för en källa på detta avstånd.

En artikel som beskriver dessa resultat visas i augusti numret av The Astrophysical Journal .