Takket være de enormt forbedrede evnene til dagens teleskoper, har astronomer prøvet dypere inn i kosmos og lenger tilbake i tid. På den måten har de vært i stand til å adressere noen mange mange mysterier om hvordan universet utviklet seg siden Big Bang. Et av disse mysteriene er hvordan supermassive sorte hull (SMBH), som spiller en avgjørende rolle i galaksenes utvikling, dannet under det tidlige universet.
Ved hjelp av ESOs Very Large Telescope (VLT) i Chile, observerte et internasjonalt team av astronomer galakser da de dukket opp omtrent 1,5 milliarder år etter Big Bang (for ca. 12,5 milliarder år siden). Overraskende observerte de store reservoarer med kjølig hydrogengass som kunne ha gitt en tilstrekkelig "matskilde" for SMBHs. Disse resultatene kunne forklare hvordan SMBHs vokste så raskt i perioden kjent som den kosmiske daggry.
Teamet ble ledet av Dr. Emanuele Paolo Farina fra Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) og Max Planck Institute for Astrophysics (MPA). Han fikk selskap av forskere fra både MPIA og MPA, European Southern Observatory (ESO), UC Santa Barbara, Arcetri Astrophysical Observatory, Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, og Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPEP).
I flere tiår har astronomer studert SMBHs, som eksisterer i kjernen av de fleste galakser og er identifisert av deres Active Galatic Nuclei (AGN). Disse kjernene, som også er kjent som kvasarer, kan avgi mer energi og lys enn resten av stjernene i galaksen til sammen. Til dags dato er den fjerneste observerte ULAS J1342 + 0928, som ligger 13,1 milliarder lysår unna.
Gitt at de første stjernene anslås å ha dannet seg bare 100 000 år etter Big Bang (for ca. 13,8 milliarder år siden), betyr dette at SMBHs måtte ha dannet seg raskt fra de første stjernene som døde. Inntil nå hadde astronomer imidlertid ikke funnet støv og gass i høye nok mengder i løpet av det tidlige universet til å forklare denne raske veksten.
I tillegg avslørte tidligere observasjoner gjennomført med Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) at tidlige galakser inneholdt mye støv og gass, noe som drev drivstoffdannelse raskt. Disse funnene indikerte at det ikke ville ha vært mye materiale til overs for å mate sorte hull, noe som bare utdypte mysteriet om hvordan de også vokste så raskt.
For å adressere dette, stolte Farina og kollegene på data samlet av VLTs Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) instrument for å kartlegge 31 kvasarer i en avstand på rundt 12,5 milliarder lysår (og dermed observere hvordan de så ut for 12,5 milliarder år siden). Dette gjør undersøkelsen til en av de største prøvene av kvasarer fra denne tidlige perioden av universet. Det de fant var 12 utvidede og overraskende tette hydrogenskyer.
Disse hydrogens skyene ble identifisert av deres karakteristiske glød i UV-lys. Gitt avstanden og effekten av rødskift (der lysets bølgelengde blir strukket på grunn av kosmisk ekspansjon), oppfatter jordbundne teleskoper glødet som rødt lys. Som Farina forklarte i en pressemelding fra MPIA:
“Den mest sannsynlige forklaringen på den lysende gassen er fluorescensmekanismen. Hydrogenet konverterer den energirike strålingen av kvasaren til lys med en spesifikk bølgelengde, noe som merkes av et glimt.”
Skyene av kjølig, tett hydrogen - som var flere milliarder ganger solens masse - dannet glorier rundt de tidlige galaksene som strekker seg i 100.000 lysår fra de sentrale sorte hullene. Vanligvis er det ganske vanskelig å oppdage slike skyer rundt kvasarer (som er intenst lyse). Men takket være følsomheten til MUSE-instrumentet - som Farina beskrev som "en spillveksler" - fant teamet dem ganske raskt.
Som Alyssa Drake, en forsker med MPIA som også bidro til studien, sa:
“Med de nåværende studiene er vi bare begynt å undersøke hvordan de første supermassive sorte hullene var i stand til å utvikle seg så raskt. Men nye instrumenter som MUSE og fremtidens James Webb romteleskop hjelper oss med å løse disse spennende gåtene.”
Teamet fant ut at disse gasshaloene var tett bundet til galaksene, og ga den perfekte "matkilden" for å opprettholde både rask stjernedannelse og veksten av supermassive sorte hull. Disse observasjonene løser effektivt mysteriet om hvordan supermassive sorte hull kunne eksistere så tidlig i universets historie. Som Farina oppsummerer det:
“Vi er nå i stand til å demonstrere for første gang at urfolksgalakser har nok mat i miljøene sine til å opprettholde både veksten av supermassive sorte hull og kraftig stjernedannelse. Dette legger en grunnleggende brikke til puslespillet som astronomer bygger for å forestille hvordan kosmiske strukturer dannet seg for mer enn 12 milliarder år siden.”
I fremtiden vil astronomer ha enda mer sofistikerte instrumenter for å studere galakser og SMBH i det tidlige universet, noe som skulle avsløre enda flere detaljer om eldgamle gassskyer. Dette inkluderer ESOs Extremely Large Telescope (ELT), i tillegg til rombaserte teleskoper som James Webb Space Telescope (JWST).
Studien som beskriver teamets funn dukket opp i 20. desember utgaven av The Astrophysical Journal.
