JWST oppdager gigantiske svarte hull over hele det tidlige universet | Quanta Magazine

År før hun var selv sikker på James Webb Space Telescope ville lansert vellykket, Christina Eilers begynte å planlegge en konferanse for astronomer som spesialiserer seg på det tidlige universet. Hun visste at hvis - helst når - JWST begynte å gjøre observasjoner, ville hun og kollegene hennes ha mye å snakke om. Som en tidsmaskin kunne teleskopet se lenger bort og lenger inn i fortiden enn noe tidligere instrument.

Heldigvis for Eilers (og resten av det astronomiske samfunnet) var planleggingen hennes ikke forgjeves: JWST ble skutt opp og utplassert uten problemer, og begynte deretter å granske det tidlige universet for alvor fra sin plass i verdensrommet en million miles unna.

I midten av juni samlet rundt 150 astronomer seg på Massachusetts Institute of Technology for Eilers' JWST "First Light"-konferanse. Ikke et helt år hadde gått siden JWST begynte å sende bilder tilbake til jorden. Og akkurat som Eilers hadde forventet, var teleskopet allerede i ferd med å omforme astronomenes forståelse av kosmos første milliard år.

Ett sett med gåtefulle gjenstander skilte seg ut i de utallige presentasjonene. Noen astronomer kalte dem «skjulte små monstre». For andre var de «små røde prikker». Men uansett hva de heter, var dataene klare: Når JWST stirrer på unge galakser - som fremstår som bare røde flekker i mørket - ser den et overraskende antall med sykloner i sentrum.

"Det ser ut til å være en rikelig populasjon av kilder vi ikke visste om," sa Eilers, en astronom ved MIT, "som vi ikke forventet å finne i det hele tatt."

De siste månedene har en strøm av observasjoner av de kosmiske flekker gledet og forvirret astronomer.

"Alle snakker om disse små røde prikkene," sa Xiaohui fan, en forsker ved University of Arizona som har brukt sin karriere på å søke etter fjerne objekter i det tidlige universet.

Den enkleste forklaringen på galaksene med tornadohjertet er at store sorte hull som veier millioner av soler piskes gasskyene til vanvidd. Det funnet er både forventet og forvirrende. Det er forventet fordi JWST delvis ble bygget for å finne de eldgamle gjenstandene. De er forfedrene til milliarder av solbehemoth sorte hull som ser ut til å dukke opp i den kosmiske rekorden uforklarlig tidlig. Ved å studere disse forløperne sorte hullene, som tre rekordsettende ungdommer oppdaget i år, håper forskere å finne ut hvor de første enorme sorte hullene kom fra og kanskje identifisere hvilken av to konkurrerende teorier som bedre beskriver dannelsen deres: Vokste de ekstremt raskt, eller ble de rett og slett født store? Likevel er observasjonene også forvirrende fordi få astronomer forventet at JWST skulle finne så mange unge, sultne sorte hull - og undersøkelser øker dem med et dusin. I prosessen med å forsøke å løse det tidligere mysteriet, har astronomer avdekket en mengde store sorte hull som kan omskrive etablerte teorier om stjerner, galakser og mer.

"Som teoretiker må jeg bygge et univers," sa Marta Volonteri, en astrofysiker som spesialiserer seg på sorte hull ved Paris Institute of Astrophysics. Volonteri og hennes kolleger kjemper nå mot tilstrømningen av gigantiske sorte hull i det tidlige kosmos. "Hvis de er [ekte], endrer de bildet fullstendig."

En kosmisk tidsmaskin

JWST-observasjonene ryster astronomi delvis fordi teleskopet kan oppdage lys som når Jorden fra dypere i verdensrommet enn noen tidligere maskin.

"Vi bygde dette absurd kraftige teleskopet over 20 år," sa Grant Tremblay, en astrofysiker ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Hele poenget med det var opprinnelig å se dypt inn i kosmisk tid."

Et av oppdragets mål er å fange galakser i ferd med å dannes i løpet av universets første milliard år (av dets omtrent 13.8 milliarder år lange historie). Teleskopets første observasjoner fra i fjor sommer antydet et ungt univers full av slående modne galakser, men informasjonen astronomene kunne vri fra slike bilder var begrenset. For å virkelig forstå det tidlige universet trengte astronomene mer enn bare bildene; de hungret etter spektrene til disse galaksene – dataene som kommer inn når teleskopet bryter innkommende lys i bestemte fargetoner.

Galaktiske spektre, som JWST begynte å sende tilbake for alvor på slutten av fjoråret, er nyttige av to grunner.

Først lot de astronomer spikre galaksens alder. Det infrarøde lyset JWST samler inn er rødt, eller rødforskyvet, noe som betyr at når det krysser kosmos, blir bølgelengdene strukket av utvidelsen av rommet. Omfanget av denne rødforskyvningen lar astronomer bestemme avstanden til en galakse, og derfor når den opprinnelig sendte ut lyset sitt. Nærliggende galakser har en rødforskyvning på nesten null. JWST kan lett skille ut objekter utover en rødforskyvning på 5, som tilsvarer omtrent 1 milliard år etter Big Bang. Objekter ved høyere rødforskyvninger er betydelig eldre og lenger unna.

For det andre gir spektre astronomene en følelse av hva som skjer i en galakse. Hver nyanse markerer en interaksjon mellom fotoner og spesifikke atomer (eller molekyler). En farge stammer fra et hydrogenatom som blinker når det legger seg etter en støt; en annen indikerer forskjøvede oksygenatomer, og en annen nitrogen. Et spektrum er et mønster av farger som avslører hva en galakse er laget av og hva disse elementene gjør, og JWST gir den avgjørende konteksten for galakser på enestående avstander.

"Vi har gjort et så stort sprang," sa Aayush Saxena, en astronom ved University of Oxford. Det faktum at "vi snakker om den kjemiske sammensetningen av galakser med rødforskyvning 9 er bare helt bemerkelsesverdig."

(Redshift 9 er overveldende fjernt, tilsvarer en tid da universet var bare 0.55 milliarder år gammelt.)

Galaktiske spektre er også perfekte verktøy for å finne en stor perturber av atomer: gigantiske sorte hull som lurer i hjertene til galakser. Svarte hull i seg selv er mørke, men når de lever av gass og støv, river de atomer fra hverandre, og får dem til å stråle ut avslørende farger. Lenge før JWSTs lansering, håpet astrofysikere at teleskopet ville hjelpe dem å oppdage disse mønstrene og finne nok av det tidlige universets største og mest aktive sorte hull til å løse mysteriet om hvordan de ble dannet.

For stor, for tidlig

Mysteriet begynte for mer enn 20 år siden, da et team ledet av Fan oppdaget en av dem de fjerneste galaksene noen gang observert - en strålende kvasar, eller en galakse forankret til et aktivt supermassivt svart hull som veier kanskje milliarder av soler. Den hadde en rødforskyvning på 5, tilsvarende rundt 1.1 milliarder år etter Big Bang. Med ytterligere sveip av himmelen slo Fan og kollegene gjentatte ganger sine egne rekorder, og presset grensen for kvasarrødforskyvning til 6 i 2001 og til slutt til 7.6 i 2021 – bare 0.7 milliarder år etter Big Bang.

Problemet var at å lage slike gigantiske sorte hull virket umulig så tidlig i den kosmiske historien.

Som alle gjenstander, tar svarte hull tid å vokse og danne. Og som en 6 fot høy pjokk, Fans supersize sorte hull var for store for deres alder - universet var ikke gammelt nok til at de hadde samlet milliarder av soler med tunge. For å forklare de forvokste smårollingene, ble fysikere tvunget til å vurdere to usmakelige alternativer.

Den første var at Fans galakser startet fylt med standard svarte hull med omtrent stjernemasse av typen supernovaer ofte etterlater seg. De vokste så både ved sammenslåing og ved å svelge opp omkringliggende gass og støv. Normalt, hvis et sort hull fester aggressivt nok, skyver en utstrømning av stråling bort bitene. Det stopper fôringsvanviddet og setter en fartsgrense for vekst av svarte hull som forskerne kaller Eddington-grensen. Men det er et mykt tak: En konstant strøm av støv kan tenkes å overvinne utstrømningen av stråling. Imidlertid er det vanskelig å forestille seg å opprettholde en slik "super-Eddington"-vekst lenge nok til å forklare Fans beist – de ville ha måttet bulke opp utenkelig raskt.

Eller kanskje sorte hull kan bli født usannsynlig store. Gassskyer i det tidlige universet kan ha kollapset direkte inn i svarte hull som veier mange tusen soler - og produserer gjenstander som kalles tunge frø. Dette scenariet er også vanskelig å tåle, fordi slike store, klumpete gasskyer bør sprekke til stjerner før de danner et svart hull.

En av JWSTs prioriteringer er å evaluere disse to scenariene ved å se inn i fortiden og fange de svakere forfedrene til Fans galakser. Disse forløperne ville ikke helt vært kvasarer, men galakser med noe mindre sorte hull på vei til å bli kvasarer. Med JWST har forskerne sin beste sjanse til å oppdage sorte hull som knapt har begynt å vokse - gjenstander som er unge nok og små nok til at forskere kan spikre ned fødselsvekten.

Det er en grunn til at en gruppe astronomer med Cosmic Evolution Early Release Science Survey, eller CEERS, ledet av Dale Kocevski fra Colby College, begynte å jobbe overtid da de først la merke til tegn på at slike unge sorte hull dukket opp i dagene etter jul.

"Det er ganske imponerende hvor mange av disse det er," skrev Jeyhan Kartaltepe, en astronom ved Rochester Institute of Technology, under en diskusjon om Slack.

"Mange små skjulte monstre," svarte Kocevski.

En voksende skare av monstre

I CEERS-spektra sprang noen galakser umiddelbart ut som potensielt skjulte sorte hull – de små monstrene. I motsetning til deres mer vaniljesøsken, sendte disse galaksene ut lys som ikke kom med bare én skarp nyanse for hydrogen. I stedet ble hydrogenlinjen smurt ut, eller utvidet, til en rekke fargetoner, noe som indikerte at noen lysbølger ble presset sammen mens gassskyer i bane akselererte mot JWST (akkurat som en ambulanse som nærmer seg avgir et stigende hyl mens sirenens lydbølger komprimeres) mens andre bølger ble strukket mens skyene fløy bort. Kocevski og kollegene hans visste at sorte hull var omtrent det eneste objektet som var i stand til å slynge hydrogen rundt på den måten.

"Den eneste måten å se den brede komponenten av gassen som går i bane rundt det sorte hullet, er hvis du ser rett ned i galaksens tønne og rett inn i det sorte hullet," sa Kocevski.

I slutten av januar hadde CEERS-teamet klart å lage et forhåndstrykk som beskrev to av de "skjulte små monstrene", som de kalte dem. Deretter satte gruppen ut for å systematisk studere et bredere stykke av de hundrevis av galakser samlet inn av programmet deres for å se hvor mange sorte hull som var der ute. Men de ble scoopet av et annet team, ledet av Yuichi Harikane fra University of Tokyo, bare uker senere. Harikanes gruppe søkte 185 av de fjerneste CEERS-galaksene og funnet 10 med brede hydrogenlinjer — det sannsynlige arbeidet med sentrale sorte hull med millioner av solmasser ved rødforskyvninger mellom 4 og 7. Så i juni ble en analyse av to andre undersøkelser ledet av Jorryt Matthee fra Swiss Federal Institute of Technology Zürich identifiserte 20 flere "små røde prikker” med brede hydrogenlinjer: sorte hull som kurrer rundt rødforskyvning 5. En analyse lagt ut i begynnelsen av august annonserte ytterligere et dusin, hvorav noen til og med kan være i ferd med å vokse ved å slå seg sammen.

"Jeg har ventet på disse tingene så lenge," sa Volonteri. "Det har vært utrolig."

Men få astronomer forutså det store antallet galakser med et stort, aktivt svart hull. Baby-kvasarene i JWSTs første år med observasjoner er flere enn forskere hadde spådd basert på folketelling av voksne kvasarer — mellom 10 ganger og 100 ganger mer rikelig.

"Det er overraskende for en astronom at vi var ute av en størrelsesorden eller enda mer," sa Eilers, som bidro til papiret med små røde prikker.

"Det føltes alltid som om disse kvasarene ved høy rødforskyvning bare var toppen av isfjellet," sa Stéphanie Juneau, en astronom ved National Science Foundations NOIRLab og medforfatter av avisen om små monstre. "Vi kan finne at under er denne [svakere] befolkningen enda større enn bare det vanlige isfjellet."

Disse to går til nesten 11

Men for å få et glimt av beistene i sin spede begynnelse, vet astronomer at de må gå langt forbi rødforskyvninger på 5 og se dypere inn i universets første milliard år. Nylig har flere lag oppdaget sorte hull som spiser på virkelig enestående avstander.

I mars, en CEERS-analyse ledet av Rebecca Larson, en astrofysiker ved University of Texas, Austin, oppdaget en bred hydrogenlinje i en galakse med en rødforskyvning på 8.7 (0.57 milliarder år etter Big Bang), og satte en ny rekord for det fjerneste aktive sorte hullet som noen gang er oppdaget.

Men Larsons rekord falt bare noen måneder senere, etter at astronomer med JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey)-samarbeidet fikk tak i spekteret til GN-z11. Ved rødforskyvning 10.6 hadde GN-z11 vært på den svakeste kanten av Hubble-romteleskopets visjon, og forskere var ivrige etter å studere den med skarpere øyne. I februar hadde JWST brukt mer enn 10 timer på å observere GN-z11, og forskere kunne fortelle med en gang at galaksen var en rar. Dens overflod av nitrogen var "helt ute av spill", sa Jan Scholtz, et JADES-medlem ved University of Cambridge. Å se så mye nitrogen i en ung galakse var som å møte en 6-åring med en skygge klokken fem, spesielt når nitrogenet ble sammenlignet med galaksens magre oksygenlagre, et enklere atom som stjernene burde sette sammen først.

JADES-samarbeidet fulgte opp med ytterligere 16 eller så JWST-observasjonstimer i begynnelsen av mai. Tilleggsdataene skjerpet spekteret, og avslørte at to synlige nyanser av nitrogen var ekstremt ujevne - en lys og en svak. Mønsteret, sa teamet, indikerte at GN-z11 var full av tette gasskyer konsentrert av en fryktinngytende gravitasjonskraft.

"Det var da vi skjønte at vi stirret rett inn i akkresjonsskiven til det sorte hullet," sa Scholtz. Den tilfeldige justeringen forklarer hvorfor den fjerne galaksen var lys nok til at Hubble kunne se i utgangspunktet.

Ekstremt unge, sultne sorte hull som GN-z11 er de nøyaktige gjenstandene astrofysikere håpet skulle løse dilemmaet om hvordan Fans kvasarer ble til. Men i en vri viser det seg at ikke engang superlativen GN-z11 er ung nok eller liten nok til at forskere definitivt kan bestemme fødselsmassen.

"Vi må begynne å oppdage svarte hullsmasser med mye høyere rødforskyvning til og med enn 11," sa Scholtz. "Jeg hadde ingen anelse om at jeg skulle si dette for et år siden, men her er vi."

Et snev av tyngde

Inntil da tyr astronomer til mer subtile triks for å finne og studere nyfødte sorte hull, triks som å ringe en venn - eller et annet flaggskip-romteleskop - for å få hjelp.

Tidlig i 2022 begynte Volonteri, Tremblay og deres samarbeidspartnere med jevne mellomrom å peke NASAs Chandra X-ray Observatory mot en galaksehop de visste ville være på JWSTs kortliste. Klyngen fungerer som en linse. Den bøyer rom-tid og forstørrer de fjernere galaksene bak den. Teamet ønsket å se om noen av disse bakgrunnsgalaksene spyttet ut røntgenstråler, et tradisjonelt visittkort av et glupsk sort hull.

I løpet av et år stirret Chandra på den kosmiske linsen i to uker – en av dens lengste observasjonskampanjer til nå – og samlet inn 19 røntgenfotoner fra en galakse kalt UHZ1, kl. en rødforskyvning på 10.1. Disse 19 høyoktanfotonene kom mest sannsynlig fra et voksende sort hull som eksisterte mindre enn en halv milliard år etter Big Bang, noe som gjør det til den desidert fjerneste røntgenkilden som noen gang er oppdaget.

Ved å kombinere JWST- og Chandra-dataene, lærte gruppen noe merkelig - og informativt. I de fleste moderne galakser er nesten all massen i stjernene, med mindre enn en prosent eller så i det sentrale sorte hullet. Men i UHZ1 virker massen jevnt fordelt mellom stjernene og det sorte hullet - som ikke er mønsteret astronomer ville ha forventet for super-Eddington-tilvekst.

En mer plausibel forklaring, laget foreslo, er at UHZ1s sentrale sorte hull ble født da en gigantisk sky krøllet sammen til et enormt svart hull, og etterlot lite gass for å lage stjerner. Disse observasjonene "kan være i samsvar med et tungt frø," sa Tremblay. Det er "galt å tenke på disse gigantiske, gigantiske gasskulene som bare kollapser."

Det er et Black Hole-univers

Noen av de spesifikke funnene fra den gale spektrakampen de siste månedene er nødt til å endre seg etter hvert som studiene går gjennom fagfellevurdering. Men den brede konklusjonen - at det unge universet tok ut en rekke gigantiske, aktive sorte hull ekstremt raskt - vil sannsynligvis overleve. Tross alt måtte Fans kvasarer komme fra et sted.

"De nøyaktige tallene og detaljene for hvert objekt er fortsatt usikre, men det er veldig overbevisende at vi finner en stor populasjon av sorte hull," sa Eilers. "JWST har avslørt dem for første gang, og det er veldig spennende."

For spesialister i sorte hull er det en åpenbaring som har brygget i årevis. Nyere studier av rotete ungdomsgalakser i det moderne universet antydet at aktive sorte hull i unge galakser ble oversett. Og teoretikere har slitt fordi deres digitale modeller kontinuerlig produserte universer med langt flere sorte hull enn astronomer så i det virkelige.

"Jeg har alltid sagt at teorien min er feil og observasjon er riktig, så jeg må fikse teorien min," sa Volonteri. Men kanskje avviket ikke pekte på et problem med teorien. "Kanskje disse små røde prikkene ikke ble tatt hensyn til," sa hun.

Nå som flammende sorte hull viser seg å være mer enn bare kosmiske cameos i et voksende univers, lurer astrofysikere på om omstøpning av objektene i mer kjøttfulle teoretiske roller kan lindre noen annen hodepine.

Etter å ha studert noen av JWSTs første bilder, påpekte noen astronomer raskt det galakser virket umulig tung, med tanke på deres ungdom. Men i det minste i noen tilfeller kan et blendende lyst svart hull få forskere til å overvurdere tyngden til de omkringliggende stjernene.

En annen teori som kan trenge tilpasning er hastigheten som galakser tar ut stjerner, som har en tendens til å være for høy i galaksesimuleringer. Kocevski spekulerer i at mange galakser går gjennom en skjult-monster-fase som setter opp en nedgang i stjerneformasjonen; de starter med kokong i stjernestøv, og så vokser det sorte hullet deres kraftig nok til å spre stjernestoffet ut i kosmos, og bremse stjernedannelsen. "Vi ser kanskje på det scenariet i spill," sa han.

Når astronomer løfter sløret fra det tidlige universet, er det flere akademiske anelser som er mer enn konkrete svar. For så mye som JWST allerede endrer hvordan astronomer tenker om aktive sorte hull, vet forskerne at de kosmiske vignettene som ble avslørt av teleskopet i år kun er anekdoter sammenlignet med det som kommer. Observasjoner av kampanjer som JADES og CEERS har funnet dusinvis av sannsynlige sorte hull som stirrer tilbake på dem fra fliser av himmelen omtrent en tidel av størrelsen på fullmånen. Mange flere sorte babyhull venter på oppmerksomheten til teleskopet og dets astronomer.

"Alle denne fremgangen har blitt gjort i løpet av de første ni til 12 månedene," sa Saxena. "Nå har vi [JWST] for de neste ni eller ti årene."