Takket være de meget forbedrede kapaciteter i dagens teleskoper, har astronomer undersøgt dybere ind i kosmos og længere tilbage i tiden. Dermed har de været i stand til at tackle nogle langvarige mysterier om, hvordan universet udviklede sig siden Big Bang. Et af disse mysterier er, hvordan supermassive sorte huller (SMBH'er), der spiller en afgørende rolle i udviklingen af galakser, dannet under det tidlige univers.
Ved hjælp af ESOs Very Large Telescope (VLT) i Chile observerede et internationalt team af astronomer galakser, da de optrådte omkring 1,5 milliarder år efter Big Bang (ca. 12,5 milliarder år siden). Overraskende observerede de store reservoirer med kold brintgas, der kunne have givet en tilstrækkelig "fødekilde" til SMBHs. Disse resultater kunne forklare, hvordan SMBH'er voksede så hurtigt i perioden kendt som den kosmiske daggry.
Holdet blev ledet af Dr. Emanuele Paolo Farina fra Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) og Max Planck Institute for Astrophysics (MPA). Han blev sammen med forskere fra både MPIA og MPA, European Southern Observatory (ESO), UC Santa Barbara, Arcetri Astrophysical Observatory, Astrophysics and Space Science Observatory i Bologna og Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPEP).
I årtier har astronomer studeret SMBH'er, der findes i kernen i de fleste galakser og er identificeret ved deres Active Galatic Nuclei (AGN). Disse kerner, der også kaldes kvasarer, kan udsende mere energi og lys end resten af stjernerne i galaksen tilsammen. Hidtil er den fjerneste observerede ULAS J1342 + 0928, der ligger 13,1 milliarder lysår væk.
I betragtning af at de første stjerner skønnes at have dannet sig kun 100.000 år efter Big Bang (ca. 13,8 milliarder år siden), betyder dette, at SMBHs hurtigt skulle have dannet sig fra de første stjerner, der døde. Indtil nu havde astronomer imidlertid ikke fundet støv og gas i høje nok mængder i det tidlige univers til at forklare denne hurtige vækst.
Derudover afslørede tidligere observationer, der blev udført med Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), at de tidlige galakser indeholdt en masse støv og gas, som brændte hurtig stjernedannelse. Disse fund indikerede, at der ikke ville have været meget materiale tilbage til at fodre sorte huller, hvilket kun uddybede mysteriet om, hvordan de også voksede så hurtigt.
For at tackle dette, var Farina og hans kolleger afhængige af data indsamlet af VLTs Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) instrument for at undersøge 31 kvasarer i en afstand af omkring 12,5 milliarder lysår (og således observere, hvordan de så ud for 12,5 milliarder år siden). Dette gør deres undersøgelse til en af de største prøver af kvasarer fra denne tidlige periode af universet. Hvad de fandt var 12 udvidede og overraskende tætte brintskyer.
Disse brintskyer blev identificeret ved deres karakteristiske glød i UV-lys. I betragtning af afstanden og effekten af rødskift (hvor lysets bølgelængde strækkes på grund af den kosmiske ekspansion) opfatter jordbundne teleskoper glødet som rødt lys. Som Farina forklarede i en MPIA-pressemeddelelse:
“Den mest sandsynlige forklaring på den skinnende gas er fluorescensmekanismen. Brintet konverterer den energirige stråling af kvasaren til lys med en bestemt bølgelængde, som kan ses ved en glimt.”
Skyerne af koldt, tæt brint - som var flere milliarder gange solens masse - dannede glorier omkring de tidlige galakser, der strækkede sig over 100.000 lysår fra de centrale sorte huller. Normalt er det temmelig vanskeligt at registrere sådanne skyer omkring kvasarer (som er intenst lyse). Men takket være følsomheden af MUSE-instrumentet - som Farina beskrev som ”en spilskifter” - fandt teamet dem ret hurtigt.
Som Alyssa Drake, en forsker med MPIA, der også bidrog til undersøgelsen, sagde:
“Med de nuværende undersøgelser er vi kun lige begyndt at undersøge, hvordan de første supermassive sorte huller var i stand til at udvikle sig så hurtigt. Men nye instrumenter som MUSE og fremtidens James Webb-rumteleskop hjælper os med at løse disse spændende gåder.”
Holdet fandt ud af, at disse gashaloer var tæt bundet til galakserne, hvilket gav den perfekte ”fødekilde” til at opretholde både hurtig stjernedannelse og væksten af supermassive sorte huller. Disse observationer løser effektivt mysteriet om, hvordan supermassive sorte huller kunne eksistere så tidligt i universets historie. Som Farina opsummerer det:
“Vi er nu i stand til at demonstrere for første gang, at oprindelige galakser har nok mad i deres miljøer til at opretholde både væksten af supermassive sorte huller og kraftig stjernedannelse. Dette tilføjer et grundlæggende stykke til det puslespil, som astronomer bygger for at forestille sig, hvordan kosmiske strukturer dannede mere end 12 milliarder år siden.”
I fremtiden vil astronomer have endnu mere sofistikerede instrumenter til at studere galakser og SMBH'er i det tidlige univers, hvilket skulle afsløre endnu flere detaljer om gamle gasskyer. Dette inkluderer ESOs Extremely Large Telescope (ELT) såvel som rumbaserede teleskoper som James Webb Space Telescope (JWST).
Undersøgelsen, der beskriver holdets fund, blev vist i den 20. december The Astrophysical Journal.
