Ett internationellt team av astronomer har använt NASA/ESA/CSA rymdteleskopet James Webb för att hitta bevis för en pågående sammanslagning av två galaxer och deras massiva svarta hål när universum bara var 740 miljoner år gammalt. Detta markerar den mest avlägsna upptäckten av en sammanslagning av svarta hål som någonsin uppnåtts och första gången som detta fenomen har upptäckts så tidigt i universum.
Astronomer har hittat supermassiva svarta hål med massor av miljoner till miljarder gånger solens i de flesta massiva galaxer i lokaluniversum, inklusive i vår Vintergatans galax. Dessa svarta hål har sannolikt haft en stor inverkan på utvecklingen av galaxerna de bor i. Men forskarna förstår fortfarande inte fullt ut hur dessa objekt växte till att bli så massiva.
Fyndet av gigantiska svarta hål redan under de första miljarderna åren efter Big Bang tyder på att en sådan tillväxt måste ha skett mycket snabbt och mycket tidigt. Nu kastar rymdteleskopet James Webb nytt ljus över tillväxten av svarta hål i det tidiga universum.
De nya Webb-observationerna har gett bevis för en pågående sammanslagning av två galaxer och deras massiva svarta hål när universum bara var 740 miljoner år gammalt. Systemet är känt som ZS7. Studien publiceras i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
Massiva svarta hål som aktivt samlar materia har distinkta spektrografiska egenskaper som gör det möjligt för astronomer att identifiera dem. För mycket avlägsna galaxer, som de i denna studie, är dessa signaturer otillgängliga från marken och kan endast ses med Webb.
"Vi hittade bevis för mycket tät gas med snabba rörelser i närheten av det svarta hålet, såväl som het och starkt joniserad gas upplyst av den energiska strålningen som vanligtvis produceras av svarta hål i deras ansamlingsepisoder", förklarade huvudförfattaren Hannah Übler av University of Cambridge i Storbritannien "Tack vare den oöverträffade skärpan i dess bildförmåga tillät Webb också vårt team att rymdsskilja de två svarta hålen."
Teamet fann att ett av de två svarta hålen har en massa som är 50 miljoner gånger solens massa. "Massan för det andra svarta hålet är sannolikt liknande, även om det är mycket svårare att mäta eftersom det här andra svarta hålet är begravt i tät gas", förklarade teammedlem Roberto Maiolino vid universitetet i Cambridge och University College London i Storbritannien.
"Våra fynd tyder på att sammanslagning är en viktig väg genom vilken svarta hål snabbt kan växa, även i kosmisk gryning," förklarade Übler. "Tillsammans med andra Webb-fynd av aktiva, massiva svarta hål i det avlägsna universum visar våra resultat också att massiva svarta hål har format utvecklingen av galaxer från allra första början."
"Stjärnmassan i systemet vi studerade liknar den hos vår granne, det stora magellanska molnet", sa teammedlemmen Pablo G. Pérez-González vid Centro de Astrobiología (CAB), CSIC/INTA, i Spanien. "Vi kan försöka föreställa oss hur utvecklingen av sammanslagna galaxer skulle kunna påverkas om varje galax hade ett supermassivt svart hål lika stort eller större än det vi har i Vintergatan."
Teamet noterar också att när de två svarta hålen smälter samman kommer de också att generera gravitationsvågor. Händelser som dessa kommer att kunna upptäckas med nästa generations gravitationsvågsobservatorier, såsom det kommande Laser Interferometer Space Antenna (LISA)-uppdraget, som nyligen godkändes av European Space Agency och kommer att vara det första rymdbaserade observatoriet som är dedikerat till att studera gravitation vågor.
"Webbs resultat talar om för oss att lättare system som kan upptäckas av LISA borde vara mycket mer frekventa än vad som tidigare antagits", säger LISA Lead Project Scientist Nora Luetzgendorf från European Space Agency i Nederländerna. "Det kommer med största sannolikhet att få oss att justera våra modeller för LISA-värden i detta massintervall. Det här är bara toppen av isberget."
Denna upptäckt kom från observationer gjorda som en del av Galaxy Assembly med NIRSpec Integral Field Spectroscopy-programmet. Teamet har nyligen tilldelats ett nytt stort program i Webbs observationscykel 3, för att i detalj studera förhållandet mellan massiva svarta hål och deras värdgalaxer under de första miljarderna åren.
En viktig komponent i detta program kommer att vara att systematiskt söka efter och karakterisera svarta håls sammanslagningar. Denna ansträngning kommer att bestämma hastigheten med vilken sammanslagning av svarta hål inträffar under tidiga kosmiska epoker och kommer att bedöma rollen av sammansmältning i den tidiga tillväxten av svarta hål och den hastighet med vilken gravitationsvågor produceras från tidernas gryning.
Mer information: Hannah Übler et al, GA-NIFS:JWST upptäcker en offset AGN 740 miljoner år efter big bang, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI:10.1093/mnras/stae943
Journalinformation: Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society
Tillhandahålls av ESA/Hubbles informationscenter
