Det är ett välkänt faktum bland astronomer och kosmologer att ju längre in i universum du ser, desto längre tillbaka i tiden du ser. Och ju närmare astronomer kan se Big Bang, som ägde rum för 13,8 miljarder år sedan, desto mer intressanta upptäckterna tenderar att bli. Det är dessa fynd som lär oss mest om de tidigaste perioderna av universum och dess efterföljande utveckling.
Till exempel har forskare som använde Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) och Magellan Teleskopen nyligen observerat det tidigaste Supermassive Black Hole (SMBH) hittills. Enligt upptäckteamets studie är detta svarta hål ungefär 800 miljoner gånger massan av vår sol och ligger mer än 13 miljarder ljusår från jorden. Detta gör det till den mest avlägsna och yngsta SMBH som hittills observerats.
Studien, med titeln "Ett 800 miljoner solmassasvart hål i ett betydligt neutralt universum vid en rödförskjutning av 7,5", dykte nyligen upp i tidskriften Natur. Ledd av Eduardo Bañados, en forskare från Carnegie Institution for Science, inkluderade teamet medlemmar från NASA: s Jet Propulsion Laboratory, Max Planck Institute for Astronomy, Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Las Cumbres Observatory och flera universitet.
Liksom med andra SMBH: er är denna upptäckt (betecknad J1342 + 0928) en kvasar, en klass av superljust föremål som består av ett svart hål som förankrar material i mitten av en massiv galax. Objektet upptäcktes under en undersökning för avlägsna objekt, som kombinerade infraröd data från WISE-uppdraget med markbaserade undersökningar. Teamet följde sedan upp med data från Carnegie Observatory Magellan teleskop i Chile.
Som med alla avlägsna kosmologiska föremål bestämdes J1342 + 0928: s avstånd genom att mäta dess rödförskjutning. Genom att mäta hur mycket våglängden för ett objekts ljus sträcks av universums expansion innan det når jorden, kan astronomer bestämma hur långt det måste resa för att komma hit. I detta fall hade kvasaren en rödförskjutning på 7,54, vilket innebär att det tog mer än 13 miljarder år för dess ljus att nå oss.
Som Xiaohui Fan från University of Arizona's Steward Observatory (och en medförfattare till studien) förklarade i ett Carnegie-pressmeddelande:
”Det stora avståndet gör sådana föremål extremt svaga när de ses från jorden. Tidiga kvasarer är också mycket sällsynta på himlen. Det var känt att bara en kvasar fanns vid en rödförskjutning mer än sju tidigare, trots omfattande sökning. ”
Med tanke på dess ålder och massa var upptäckten av denna kvasar ganska överraskande för studieteamet. Som Daniel Stern, en astrofysiker vid NASA: s Jet Propulsion Laboratory och en medförfattare till studien, indikerade i ett pressmeddelande från NASA: ”Detta svarta hål blev mycket större än vi förväntade oss bara 690 miljoner år efter Big Bang, som utmanar vår teorier om hur svarta hål bildas. ”
I huvudsak fanns denna kvasar vid en tidpunkt då universum just började komma ut från vad kosmologer kallar ”Dark Ages”. Under denna period, som började ungefär 380 000 år till 150 miljoner år efter Big Bang, interagerade de flesta av fotonerna i universum med elektroner och protoner. Som ett resultat kan strålningen under denna period inte upptäckas av våra nuvarande instrument - därav namnet.
Universum förblev i detta tillstånd, utan några lysande källor, tills tyngdkraften kondenserade materien till de första stjärnorna och galaxerna. Denna period är känd som "Reinozation Epoch", som varade från 150 miljoner till 1 miljard år efter Big Bang och kännetecknades av de första stjärnor, galaxer och kvasarer som bildades. Det heter så eftersom energin som frigörs av dessa gamla galaxer fick universums neutrala väte att bli upphetsad och joniseras.
När universum blev nytt, kunde fotoner resa fritt genom rymden och universumet blev officiellt transparent för ljus. Det är detta som gör upptäckten av denna kvasar så intressant. Som teamet observerade är mycket av vätet som omger det neutralt, vilket innebär att det inte bara är den mest avlägsna kvasaren som någonsin har observerats, utan också det enda exemplet på en kvasar som fanns innan universumet återiniserades.
Med andra ord, J1342 + 0928 fanns under en stor övergångsperiod för universum, som råkar vara en av de nuvarande gränserna för astrofysik. Som om detta inte räckte, blev teamet också förvirrat av objektets massa. För att ett svart hål skulle ha blivit så massivt under denna tidiga period av universum, måste det finnas särskilda villkor för att möjliggöra en så snabb tillväxt.
Vad dessa förhållanden är, förblir emellertid ett mysterium. Hur som än är fallet verkar denna nyligen hittade SMBH vara förbrukande materia i centrum av en galax med en häpnadsväckande takt. Och även om dess upptäckt har väckt många frågor, förväntas det att utbyggnaden av framtida teleskoper kommer att avslöja mer om denna kvasar och dess kosmologiska period. Som Stern sa:
"Med flera nästa generations, ännu känsligare anläggningar som för närvarande byggs kan vi förvänta oss många spännande upptäckter i det mycket tidiga universum under de kommande åren."
Dessa nästa generations uppdrag inkluderar Europeiska rymdorganisationens Euclid-uppdrag och NASA: s Wide-Field Infrared Survey Telescope (WFIRST). Medan Euclid kommer att studera föremål som ligger 10 miljarder år tidigare för att mäta hur mörk energi påverkade den kosmiska utvecklingen, kommer WFIRST att utföra vidfält nära-infraröda undersökningar för att mäta ljuset från en miljard galaxer.
Båda uppdragen förväntas avslöja fler objekt som J1342 + 0928. För närvarande förutspår forskare att det bara finns 20 till 100 kvasarer lika ljusa och så avlägsna som J1342 + 0928 på himlen. Som sådan var de mest nöjda med denna upptäckt, som förväntas ge oss grundläggande information om universum när det bara var 5% av dess nuvarande ålder.
