Tack vare de avsevärt förbättrade funktionerna hos dagens teleskop har astronomer sökt djupare in i kosmos och längre tillbaka i tiden. Genom att göra det 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 (SMBHs), som spelar en avgörande roll i utvecklingen av galaxer, som bildades under det tidiga universum.
Använder ESO Mycket stort teleskop (VLT) i Chile observerade ett internationellt team av astronomer galaxer när de dök upp ungefär 1,5 miljarder år efter Big Bang (ca. 12,5 miljarder år sedan). Överraskande nog, de observerade stora reservoarer av kall vätgas som kunde ha tillhandahållit en tillräcklig 'matkälla' för små och medelstora företag. Dessa resultat kan förklara hur SMBHs växte så snabbt under den period som kallas den kosmiska gryningen.
Teamet leddes av Dr. Emanuele Paolo Farina från Max Planck-institutet för astronomi (MPIA) och Max Planck-institutet för astrofysik (MPA). Han fick sällskap av forskare från både MPIA och MPA, European Southern Observatory (ESO), UC Santa Barbara, Arcetri Astrophysical Observatory , den Astrofysik och rymdvetenskapsobservatorium i Bologna , och den Max Planck-institutet för utomjordisk fysik (MPEP).
I decennier har astronomer studerat SMBH, som finns i kärnan av de flesta galaxer och identifieras av deras Aktiva galatiska kärnor (AGN). Dessa kärnor, som också är kända som kvasarer, kan avge mer energi och ljus än resten av stjärnorna i galaxen tillsammans. Hittills är den mest avlägsna som observerats ULAS J1342+0928 , som ligger 13,1 miljarder ljusår bort.
Med tanke på att de första stjärnorna beräknas ha bildats bara 100 000 år efter Big Bang (ca. 13,8 miljarder år sedan), betyder det att SMBH måste ha bildats snabbt från de första stjärnorna för att dö. Fram till nu hade astronomer inte hittat damm och gas i tillräckligt stora mängder under det tidiga universum för att förklara denna snabba tillväxt.
Dessutom har tidigare observationer gjorda med Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) avslöjade att tidiga galaxer innehöll mycket damm och gas, vilket drev snabb stjärnbildning. Dessa fynd tydde på att det inte skulle ha blivit mycket material över för att mata svarta hål, vilket bara fördjupade mysteriet om hur de också växte så snabbt.
För att komma till rätta med detta förlitade sig Farina och hans kollegor på data som samlats in av VLT:erna Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) instrument för att undersöka 31 kvasarer på ett avstånd av cirka 12,5 miljarder ljusår (alltså observera hur de såg ut för 12,5 miljarder år sedan). Detta gör deras undersökning till ett av de största urvalen av kvasarer från denna tidiga period av universum. Vad de hittade var 12 utsträckta och förvånansvärt täta vätemoln.
Dessa vätemoln identifierades genom deras karakteristiska sken i UV-ljus. Med tanke på avståndet och effekten av rödförskjutning (där ljusets våglängd sträcks på grund av kosmisk expansion), uppfattar jordbundna teleskop glödet som rött ljus. Som Farina förklarade i en MPIA pressmeddelande :
'Den mest troliga förklaringen till den lysande gasen är mekanismen för fluorescens.Vätgas omvandlar kvasarens energirika strålning till ljus med en specifik våglängd, vilket märks av en glimt.'
Molnen av svalt, tätt väte – som var flera miljarder gånger solens massa – bildade glorier runt de tidiga galaxerna som sträckte sig 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 känsligheten hos MUSE-instrumentet – som Farina beskrev som 'en game changer' – hittade teamet dem ganska snabbt.
Som Alyssa Drake, en forskare vid MPIA som också bidrog till studien, sa :
'Med de nuvarande studierna har vi bara börjat undersöka hur de första supermassiva svarta hålen kunde utvecklas så snabbt.Men nya instrument som MUSE och det framtida rymdteleskopet James Webb hjälper oss att lösa dessa spännande gåtor.'
Teamet fann att dessa gashalos 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 för första gången visa att urgalaxer har tillräckligt med mat i sina miljöer för att upprätthålla både tillväxten av supermassiva svarta hål och kraftig stjärnbildning.Detta lägger till en grundläggande bit till det pussel som astronomer bygger för att föreställa sig 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 fler detaljer om forntida gasmoln. Detta inkluderar ESO:er Extremt stort teleskop (ELT), såväl som rymdbaserade teleskop som James Webb rymdteleskop (JWST).
Studien som beskriver teamets resultat dök upp i numret den 20 december av The Astrophysical Journal .
Vidare läsning: DEN DÄR , MPIA , The Astrophysical Journal