Tack vare dagens mycket förbättrade kapacitet med teleskop har astronomer undersökt djupare in i kosmos och längre tillbaka i tiden. På så sätt har de kunnat ta itu med några långvariga mysterier om hur universum utvecklats sedan Big Bang. Ett av dessa mysterier är hur supermassiva svarta hål (SMBH), som spelar en avgörande roll i galaxernas utveckling, som bildades under det tidiga universum.
Med hjälp av ESO: s Very Large Telescope (VLT) i Chile såg ett internationellt team av astronomer galaxer när de dök upp ungefär 1,5 miljarder år efter Big Bang (för cirka 12,5 miljarder år sedan). Överraskande observerade de stora reservoarer med sval vätgas som kunde ha gett en tillräcklig "matkälla" för SMBHs. Dessa resultat kunde förklara hur SMBHs växte så snabbt under den period som kallas den kosmiska gryningen.
Teamet leddes av Dr. Emanuele Paolo Farina från Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) och Max Planck Institute for Astrophysics (MPA). Han förenades av forskare från både MPIA och MPA, European Southern Observatory (ESO), UC Santa Barbara, Arcetri Astrophysical Observatory, Astrophysics and Space Science Observatory i Bologna och Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPEP).
I decennier har astronomer studerat SMBH, som finns i kärnan i de flesta galaxer och identifieras av deras Active Galatic Nuclei (AGN). Dessa kärnor, som också kallas kvasarer, kan avge mer energi och ljus än resten av stjärnorna i galaxen tillsammans. Hittills är den mest avlägsna observerade ULAS J1342 + 0928, som ligger 13,1 miljarder ljusår bort.
Med tanke på att de första stjärnorna beräknas ha bildat bara 100 000 år efter Big Bang (för cirka 13,8 miljarder år sedan), betyder detta att SMBHs måste ha bildats snabbt från de första stjärnorna som dör. Hittills hade astronomer dock inte hittat damm och gas i tillräckligt höga mängder under det tidiga universum för att förklara denna snabba tillväxt.
Dessutom avslöjade tidigare observationer gjorda med Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) att tidiga galaxer innehöll mycket damm och gas, vilket brände snabb stjärnbildning. Dessa fynd tyder på att det inte skulle ha varit mycket material kvar för att mata svarta hål, vilket bara fördjupade mysteriet om hur de också växte så snabbt.
För att hantera detta förlitade sig Farina och hans kollegor på data som samlats in av VLT: s instrument för instrumentet Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) för att kartlägga 31 kvasarer på ett avstånd av cirka 12,5 miljarder ljusår (därmed se hur de såg ut för 12,5 miljarder år sedan). Detta gör deras undersökning till ett av de största proverna med kvasarer från denna tidiga period av universum. Vad de fann var 12 utökade och förvånansvärt täta vät moln.
Dessa väte moln identifierades genom deras karakteristiska glöd i UV-ljus. Med tanke på avståndet och effekten av rödförskjutning (där ljusets våglängd sträcks på grund av kosmisk expansion), uppfattar jordbundna teleskoper glödet som rött ljus. Som Farina förklarade i ett MPIA-pressmeddelande:
“Den mest troliga förklaringen för den lysande gasen är fluorescensmekanismen. Vätet omvandlar den energirika strålningen av kvasaren till ljus med en specifik våglängd, vilket märks av ett glimt.”
Molnen av svalt, tätt väte - som var flera miljarder gånger solens massa - bildade glorier runt de tidiga galaxerna som sträckte sig över 100 000 ljusår från de centrala svarta hålen. Vanligtvis är det ganska svårt att upptäcka sådana moln runt kvasarer (som är intensivt ljusa). Men tack vare MUSE-instrumentets känslighet - som Farina beskrev som "en spelväxlare" - hittade teamet dem ganska snabbt.
Som Alyssa Drake, en forskare med MPIA som också bidrog till studien, sa:
“Med de nuvarande studierna börjar vi bara undersöka hur de första supermassiva svarta hålen kunde utvecklas så snabbt. Men nya instrument som MUSE och framtidens James Webb Space Telescope hjälper oss att lösa dessa spännande pussel.”
Teamet fann att dessa gashalor var tätt bundna till galaxerna, vilket gav den perfekta "matkällan" för att upprätthålla både snabb stjärnbildning och tillväxten av supermassiva svarta hål. Dessa observationer löser effektivt mysteriet om hur supermassiva svarta hål kunde existera så tidigt i universums historia. Som Farina sammanfattar det:
“Vi kan nu visa för första gången att urval galaxer har tillräckligt med mat i sina miljöer för att upprätthålla både tillväxten av supermassiva svarta hål och kraftig stjärnbildning. Detta lägger till ett grundläggande stycke till pusslet som astronomer bygger för att bilda hur kosmiska strukturer bildades för mer än 12 miljarder år sedan.”
I framtiden kommer astronomer att ha ännu mer sofistikerade instrument för att studera galaxer och SMBH i det tidiga universum, vilket borde avslöja ännu mer detaljer om forntida gasmoln. Detta inkluderar ESO: s Extremely Large Telescope (ELT), såväl som rymdbaserade teleskop som James Webb Space Telescope (JWST).
Studien som beskriver teamets resultat dök upp i 20: e utgåvan av The Astrophysical Journal.
