MIT-astronomer har observerat det svårfångade stjärnljuset som omger några av de tidigaste kvasarerna i universum. De avlägsna signalerna, som går tillbaka mer än 13 miljarder år till universums barndom, avslöjar ledtrådar till hur de allra första svarta hålen och galaxerna utvecklades.
Kvasarer är flammande centra för aktiva galaxer, som är värd för ett omättligt supermassivt svart hål i deras kärna. De flesta galaxer är värd för ett centralt svart hål som ibland kan frossa i gas och stjärnskräp, vilket genererar en kort ljusskur i form av en glödande ring när material virvlar in mot det svarta hålet.
Kvasarer, däremot, kan förbruka enorma mängder materia under mycket längre tidsperioder, vilket skapar en extremt ljus och långvarig ring – så ljus faktiskt att kvasarer är bland de mest lysande objekten i universum.
Eftersom de är så ljusa överglänser kvasarer resten av galaxen där de bor. Men MIT-teamet kunde för första gången observera det mycket svagare ljuset från stjärnor i värdgalaxerna i tre forntida kvasarer.
Baserat på detta svårfångade stjärnljus uppskattade forskarna massan av varje värdgalax, jämfört med massan av dess centrala supermassiva svarta hål. De fann att för dessa kvasarer var de centrala svarta hålen mycket mer massiva i förhållande till deras värdgalaxer, jämfört med deras moderna motsvarigheter.
Resultaten, publicerade idag i The Astrophysical Journal , kan kasta ljus över hur de tidigaste supermassiva svarta hålen blev så massiva trots att de hade en relativt kort kosmisk tid att växa under. I synnerhet kan de tidigaste monstersvarta hålen ha kommit från mer massiva "frön" än mer moderna svarta hål gjorde.
"Efter att universum kom till fanns det frösvarta hål som sedan konsumerade material och växte på mycket kort tid", säger studieförfattaren Minghao Yue, postdoc vid MIT:s Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "En av de stora frågorna är att förstå hur dessa monstersvarta hål kunde växa sig så stora, så snabbt."
"Dessa svarta hål är miljarder gånger mer massiva än solen, i en tid då universum fortfarande är i sin linda", säger studieförfattaren Anna-Christina Eilers, biträdande professor i fysik vid MIT. "Våra resultat tyder på att i det tidiga universum kunde supermassiva svarta hål ha fått sin massa innan deras värdgalaxer gjorde det, och de ursprungliga svarta hålsfröna kunde ha varit mer massiva än idag."
Eilers och Yues medförfattare inkluderar MIT Kavli-direktör Robert Simcoe, MIT Hubble Fellow och postdoc Rohan Naidu, och medarbetare i Schweiz, Österrike, Japan och vid North Carolina State University.
En kvasars extrema ljusstyrka har varit uppenbar sedan astronomer först upptäckte föremålen på 1960-talet. De antog då att kvasarens ljus härrörde från en enda stjärnliknande "punktkälla". Forskare betecknade objekten "kvasarer" som en portmanteau av ett "kvasistjärnigt" objekt.
Sedan dessa första observationer har forskare insett att kvasarer i själva verket inte är av stjärnor utan härrör från ansamlingen av intensivt kraftfulla och ihållande supermassiva svarta hål som sitter i mitten av galaxer som också är värd för stjärnor, som är mycket svagare i jämförelse med deras bländande. kärnor.
Det har varit extremt utmanande att skilja ljuset från en kvasars centrala svarta hål från ljuset från värdgalaxens stjärnor. Uppgiften är lite som att urskilja ett fält av eldflugor runt en central, massiv strålkastare. Men under de senaste åren har astronomer haft en mycket bättre chans att göra det med lanseringen av NASA:s James Webb Space Telescope (JWST), som har kunnat titta längre tillbaka i tiden, och med mycket högre känslighet och upplösning, än någon befintlig. observatorium.
I sin nya studie använde Yue och Eilers dedikerad tid på JWST för att observera sex kända, gamla kvasarer, intermittent från hösten 2022 till följande vår. Totalt samlade teamet mer än 120 timmars observationer av de sex avlägsna objekten.
"Kvasaren överglänser sin värdgalax i storleksordningar. Och tidigare bilder var inte tillräckligt skarpa för att urskilja hur värdgalaxen med alla dess stjärnor ser ut", säger Yue. "Nu kan vi för första gången avslöja ljuset från dessa stjärnor genom att mycket noggrant modellera JWST:s mycket skarpare bilder av dessa kvasarer."
Teamet inventerade bilddata som samlats in av JWST för var och en av de sex avlägsna kvasarerna, som de uppskattade vara cirka 13 miljarder år gamla. Dessa data inkluderade mätningar av varje kvasars ljus i olika våglängder. Forskarna matade in dessa data i en modell av hur mycket av det ljuset som sannolikt kommer från en kompakt "punktkälla", såsom ett centralt svart håls ackretionsskiva, jämfört med en mer diffus källa, såsom ljus från värdgalaxens omgivande, spridda stjärnor .
Genom denna modellering retade teamet isär varje kvasars ljus i två komponenter:ljus från det centrala svarta hålets lysande skiva och ljus från värdgalaxens mer diffusa stjärnor. Mängden ljus från båda källorna är en reflektion av deras totala massa. Forskarna uppskattar att för dessa kvasarer var förhållandet mellan massan av det centrala svarta hålet och värdgalaxens massa cirka 1:10. Detta, insåg de, stod i skarp kontrast till dagens massbalans på 1:1 000, där mer nyligen bildade svarta hål är mycket mindre massiva jämfört med deras värdgalaxer.
"Detta säger oss något om vad som växer först:Är det det svarta hålet som växer först, och sedan kommer galaxen ikapp? Eller är det galaxen och dess stjärnor som först växer, och de dominerar och reglerar det svarta hålets tillväxt?" Eilers förklarar. "Vi ser att svarta hål i det tidiga universum verkar växa snabbare än deras värdgalaxer. Det är preliminära bevis på att de ursprungliga fröna från det svarta hålet kunde ha varit mer massiva då."
"Det måste ha funnits någon mekanism för att få ett svart hål att få sin massa tidigare än sin värdgalax under de första miljarderna åren", tillägger Yue. "Det är typ det första beviset vi ser för detta, vilket är spännande."
Mer information: Minghao Yue et al, EIGER. V. Karakterisering av värdgalaxerna för lysande kvasarer vid z ≳ 6, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad3914
Journalinformation: Astrofysisk tidskrift
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
