Svarta hål existerade inte bara vid tidernas gryning, de födde nya stjärnor och överladdade galaxer, visar en ny analys av James Webb rymdteleskopdata.
Insikterna höjer teorierna om hur svarta hål formar kosmos, och utmanar den klassiska förståelsen som de bildades efter att de första stjärnorna och galaxerna dök upp. Istället kan svarta hål dramatiskt ha accelererat födelsen av nya stjärnor under universums första 50 miljoner år, en flyktig period inom dess 13,8 miljarder år långa historia.
"Vi vet att dessa monstersvarta hål finns i mitten av galaxer nära vår Vintergatan, men den stora överraskningen nu är att de var närvarande i början av universum också och var nästan som byggstenar eller frön för tidiga galaxer," sa huvudförfattare Joseph Silk, professor vid institutionen för fysik och astronomi vid Johns Hopkins University och vid Institute of Astrophysics, Paris, Sorbonne University. "De förstärkte verkligen allt, som gigantiska förstärkare av stjärnbildning, vilket är en hel vändning av vad vi trodde var möjligt tidigare - så mycket att det här helt skulle kunna rubba vår förståelse för hur galaxer bildas."
Verket är nyligen publicerat i Astrophysical Journal Letters .
Avlägsna galaxer från det mycket tidiga universum, observerade genom Webb-teleskopet, verkar mycket ljusare än forskare förutspått och avslöjar ovanligt höga antal unga stjärnor och supermassiva svarta hål, sa Silk.
Konventionell visdom hävdar att svarta hål bildades efter kollapsen av supermassiva stjärnor och att galaxer bildades efter att de första stjärnorna lyste upp det mörka tidiga universum. Men analysen från Silks team tyder på att svarta hål och galaxer samexisterade och påverkade varandras öde under de första 100 miljoner åren. Om hela universums historia var en 12-månaders kalender, skulle de åren vara som de första dagarna i januari, sa Silk.
"Vi argumenterar för att svarta håls utflöden krossade gasmoln, förvandlar dem till stjärnor och avsevärt accelererar takten för stjärnbildning," sa Silk. "Annars är det väldigt svårt att förstå var dessa ljusa galaxer kom ifrån eftersom de vanligtvis är mindre i det tidiga universum. Varför i hela friden skulle de göra stjärnor så snabbt?"
Svarta hål är områden i rymden där gravitationen är så stark att ingenting kan undgå deras dragkraft, inte ens ljus. På grund av denna kraft genererar de kraftfulla magnetfält som gör våldsamma stormar, skjuter ut turbulent plasma och i slutändan fungerar som enorma partikelacceleratorer, sa Silk. Denna process, sa han, är troligen varför Webbs detektorer har upptäckt fler av dessa svarta hål och ljusa galaxer än forskarna förväntade sig.
"Vi kan inte riktigt se dessa våldsamma vindar eller jetstrålar långt, långt borta, men vi vet att de måste vara närvarande eftersom vi ser många svarta hål tidigt i universum," förklarade Silk. "Dessa enorma vindar som kommer från de svarta hålen krossar närliggande gasmoln och förvandlar dem till stjärnor. Det är den felande länken som förklarar varför dessa första galaxer är så mycket ljusare än vi förväntade oss."
Silks team förutspår att det unga universum hade två faser. Under den första fasen accelererade höghastighetsutflöden från svarta hål stjärnbildningen, och sedan, i en andra fas, avtog utflödena. Några hundra miljoner år efter den stora smällen kollapsade gasmoln på grund av supermassiva svarta håls magnetiska stormar, och nya stjärnor föddes med en hastighet som vida översteg den som observerades miljarder år senare i normala galaxer, sa Silk. Skapandet av stjärnor saktade ner eftersom dessa kraftfulla utflöden övergick till ett tillstånd av energibesparing, sade han, vilket minskade den gas som var tillgänglig för att bilda stjärnor i galaxer.
"Vi trodde att i början bildades galaxer när ett gigantiskt gasmoln kollapsade", förklarade Silk. "Den stora överraskningen är att det fanns ett frö i mitten av molnet – ett stort svart hål – och som hjälpte till att snabbt förvandla den inre delen av molnet till stjärnor med en hastighet som var mycket större än vi någonsin förväntat oss. Och så de första galaxerna är otroligt ljusa."
Teamet förväntar sig att framtida Webb-teleskopobservationer, med mer exakta räkningar av stjärnor och supermassiva svarta hål i det tidiga universum, kommer att hjälpa till att bekräfta deras beräkningar. Silk förväntar sig att dessa observationer också kommer att hjälpa forskare att få ihop fler ledtrådar om universums utveckling.
"Den stora frågan är, vad var vår början? Solen är en stjärna på 100 miljarder i Vintergatans galax, och det finns ett massivt svart hål i mitten också. Vad är sambandet mellan de två?" han sa. "Inom ett år kommer vi att ha så mycket bättre data, och många av våra frågor kommer att börja få svar."
Författare inkluderar Colin Norman och Rosemary F. G. Wyse från Johns Hopkins; Mitchell C. Begelman vid University of Colorado och National Institute of Standards and Technology; och Adi Nusser från Israel Institute of Technology.
Mer information: Joseph Silk et al, Vilket kom först:Supermassiva svarta hål eller galaxer? Insikter från JWST, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI:10.3847/2041-8213/ad1bf0
Journalinformation: Astrophysical Journal Letters
Tillhandahålls av Johns Hopkins University
