Genom att analysera bilder från James Webb Space Telescope (JWST), har en grupp astronomer ledda av Dr Lukas Furtak och Prof. Adi Zitrin från Ben-Gurion University of the Negev upptäckt ett extremt rött, gravitationslinsförsett supermassivt svart hål i det tidiga universum . Dess färger tyder på att det svarta hålet ligger bakom en tjock slöja av damm som skymmer mycket av dess ljus. Teamet lyckades mäta det svarta hålets massa och upptäckte att det var betydligt mer massivt, jämfört med dess värdgalax, än vad som har setts i mer lokala exempel.
Fyndet publiceras i Nature .
JWST, som lanserades för två år sedan, har revolutionerat vår syn på tidig galaxbildning. Det har lett till upptäckten av mycket tidiga galaxer i större mängder och större ljusstyrkor än tidigare förutspått, och avslöjat några nya typer av objekt.
Gruppen av astronomer hade upptäckt i JWST-bilder vad som verkade vara ett linsförsett, kvasarliknande objekt från det tidiga universum. Kvasarer är ljusa aktiva galaktiska kärnor:supermassiva svarta hål i mitten av galaxer som aktivt samlar material.
Ansamlingen av material på det svarta hålet avger rikliga mängder strålning som överglänser värdgalaxen, vilket leder till ett kompakt och ljust, stjärnliknande utseende. JWST-bilderna där Furtak och Zitrin identifierade objektet togs för UNCOVER-programmet, som avbildade fältet för ett kluster av galaxer, Abell 2744, till ett aldrig tidigare skådat djup.
Eftersom klustret innehåller stora mängder massa, böjer det rymdtiden - eller ljusstrålarnas vägar som färdas nära den - och skapar effektivt en gravitationslins. Gravitationslinsen förstorar bakgrundsgalaxerna bakom den och gör det möjligt för astronomer att observera ännu mer avlägsna galaxer än vad som annars är möjligt.
"Vi var väldigt glada när JWST började skicka sin första data. Vi skannade data som anlände till UNCOVER-programmet och tre mycket kompakta men rödblommande föremål stod tydligt ut och fångade våra ögon", säger doktor Lukas Furtak, postdoktor. forskare vid BGU och huvudförfattaren till upptäcktsdokumenten. "Deras "röda punkt"-utseende fick oss omedelbart att misstänka att det var ett kvasarliknande föremål."
Furtak och UNCOVER-gruppen började undersöka föremålet. "Vi använde en numerisk linsmodell som vi hade konstruerat för galaxhopen för att fastställa att de tre röda prickarna måste vara flera bilder av samma bakgrundskälla, sett när universum bara var cirka 700 miljoner år gammalt", säger Prof. Zitrin , en astronom vid BGU och en av huvudförfattarna till upptäcktsdokumenten.
"Analys av objektets färger visade att det inte var en typisk stjärnbildande galax. Detta stödde ytterligare hypotesen om det supermassiva svarta hålet", säger Prof. Rachel Bezanson, från University of Pittsburgh och medledare för UNCOVER-programmet. "Tillsammans med dess kompakta storlek blev det uppenbart att detta troligen var ett supermassivt svart hål, även om det fortfarande skilde sig från andra kvasarer som hittades vid de tidiga tiderna," tillade Prof. Bezanson. Upptäckten av det unikt röda och kompakta föremålet publicerades förra året i Astrophysical Journal . Men det var bara början på historien.
Teamet skaffade sedan JWST/NIRSpec-data för de tre bilderna av den "röda punkten" och analyserade data. "Spektrumen var bara häpnadsväckande", säger professor Ivo Labbé, från Swinburne University of Technology och medledare för UNCOVER-programmet, "Genom att kombinera signalen från de tre bilderna tillsammans med linsförstoringen är det resulterande spektrumet ekvivalent till ~1700 observationstimmar av JWST på ett objekt utan linser, vilket gör det till det djupaste spektrum som JWST har erhållit för ett enda objekt i det tidiga universum."
"Med hjälp av spektra lyckades vi inte bara bekräfta att det röda kompakta föremålet var ett supermassivt svart hål och mäta dess exakta rödförskjutning, utan också få en solid uppskattning av dess massa från bredden på dess emissionslinjer", säger huvudförfattaren Dr. Furtak. "Gas kretsar i det svarta hålets gravitationsfält och uppnår mycket höga hastigheter som inte kan ses i andra delar av galaxerna. På grund av Dopplerskiftet är ljuset som sänds ut av det ackreterande materialet rödförskjutet på ena sidan och blåskiftat. på andra sidan, beroende på dess hastighet. Detta gör att emissionslinjerna i spektrumet blir bredare."
Men mätningen ledde till ännu en överraskning:det svarta hålets massa verkar vara överdrivet hög jämfört med värdgalaxens massa.
"Allt ljus från den galaxen måste passa in i ett litet område som är lika stort som en dagens stjärnhop. Den gravitationella linsförstoringen av källan gav oss utsökta gränser för storleken. Till och med packning av alla möjliga stjärnor i ett så litet område, det svarta hålet blir minst 1 % av systemets totala massa", säger professor Jenny Greene från Princeton University och en av huvudförfattarna till den senaste artikeln.
"Faktum är att flera andra supermassiva svarta hål i det tidiga universum nu har visat sig visa ett liknande beteende, vilket leder till några spännande synpunkter på tillväxten av svarta hål och värdgalaxer, och samspelet mellan dem, vilket inte är väl förstått."
Astronomer vet inte om sådana supermassiva svarta hål växer, till exempel från stjärnrester, eller kanske från material som direkt kollapsade till svarta hål i det tidiga universum.
"På ett sätt är det den astrofysiska motsvarigheten till kyckling- och äggproblemet", säger Prof. Zitrin. "Vi vet för närvarande inte vilket som kom först - galaxen eller svarta hålet, hur massiva de första svarta hålen var och hur de växte."
Eftersom många fler sådana "små röda prickar" och andra aktiva galaktiska kärnor nyligen har upptäckts med JWST, kommer vi förhoppningsvis snart att få en bättre idé.
Mer information: Lukas J. Furtak et al, A high black hole to host mass ratio in a lensed AGN in the early Universe, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07184-8
Tillhandahålls av Ben-Gurion University of the Negev
