13. april 2022

Ny type kosmisk objekt fra universets daggry

Universet

For første gang er det lykkedes forskere at observere forstadiet til et supertungt sort hul født relativt kort efter Big Bang. Det internationale forskerteam er ledet af astrofysikere fra Københavns Universitet og DTU.

Illustration af GNz7q
Illustration af GNz7q (credit: ESA/Hubble, N. Bartmann)

Et internationalt forskerteam ledet af astrofysikere fra Niels Bohr Institutet og DTU Space har identificeret en ny type kosmisk objekt. Egenskaberne af objektet ligger mellem egenskaberne af en galakse og af en såkaldt kvasar. Objektet kan betragtes som forstadiet til et supertungt sort hul, og det opstod relativt kort efter Big Bang. Ud fra computersimuleringer var det forventet, at objekter af denne type kunne eksistere, men det er første gang, at forskere lykkes med en observation.

”Det observerede objekt udgør et bindeled mellem to populationer af sjældne objekter, nemlig støvede stjerne-dannende galakser og lysintensive kvasarer. Dermed åbner fundet for en ny forståelse af, hvordan supermassive sorte huller blev dannet med stor hastighed i det tidlige univers,” siger lederen af studiet, postdoc Seiji Fujimoto, fra Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

Opdagelsen er sket takket være data fra rumteleskopet Hubble, der drives af ESA og NASA. Placeringen i rummet betyder, at Hubble kan kigge længere ud i universets dybder, fordi instrumenterne ikke bliver forstyrret af forurening eller skiftende vejrforhold som teleskoper på jorden. Inden for astronomien er det at kigge over større afstand ensbetydende med, at man kan foretage observationer længere tilbage i tiden. Det skyldes, at det lys og andre typer stråling, som instrumenterne registrerer, har rejst længere.

Det nyligt opdagede objekt, som forskerholdet har døbt GNz7q, blev født 750 millioner år efter Big Bang, der er alment anerkendt som begyndelsen på universet. Big Bang indtraf for 13.8 milliarder år siden, og GNz7q blev dermed født i det unge univers – i en periode, som astrofysikerne kalder ”Kosmisk Daggry”.

Gåden om de supertunge sorte huller

Opdagelsen er knyttet til en særlig type kvasarer. Kvasarer er ekstremt kraftigt lysende objekter. Billeder fra Hubble og andre teleskoper har afdækket, at kvasarer opstår i centrum af galakser. Værtsgalaksen for GNz7q er en intensiv producent af nye stjerner. Stjernedannelsen i galaksen er 1.600 gange så kraftig som i vores egen galakse Mælkevejen. Videre skaber de mange nye stjerner kosmisk støv, som de opvarmer. Støvet gløder i det infrarøde område i en grad, så GNz7qs vært er mere lyskraftig i støvudsendelse end noget andet kendt objekt fra denne periode af det kosmiske daggry.

I de senere år er det påvist, at kraftigt lysende kvasarer bliver fodret af supertunge sorte huller med masser i intervallet fra millioner til dusinvis milliarder af sol-masser, som er omgivet af enorme mængder gas. Når gassen falder ind mod det sorte hul, bliver den varmet op på grund af friktion. Derved skabes det ekstremt kraftige lys.

“Det er blevet et mysterium, hvordan supertunge sorte huller opstår og vokser i det tidlige univers. Teoretikere har forudset, at disse sorte huller undergår en tidlig fase af hastig vækst: et objekt, som er rødfarvet af støv, opstår fra en stærkt støv-formørket stjernedannende galakse og udvikler sig til et kraftigt lysende, ikke-formørket objekt ved at udstøde omgivende gas og støv,” siger lektor Gabriel Brammer, Niels Bohr Institutet.

“Der er tidligere observeret kraftigt lysende kvasarer i universets tidligste perioder, men det er hidtil ikke lykkedes at observere overgangsfasen, hvor både det sorte hul og dets stjerne-dannende værtsgalakse vokser kraftigt. Samtidig stemmer de observerede egenskaber godt overens med de teoretiske simuleringer.  Det taler for, at GNz7q er det første eksempel på den hurtige vækstprægede overgangsfase for et sort hul i kernen af en stjernedannende galakse – og dermed en forfader til et senere supertungt sort hul.”

Seiji Fujimoto og Gabriel Brammer indgår begge i Cosmic Dawn Center (DAWN), som er et samarbejde mellem Niels Bohr Institutet og DTU Space.

GNz7q i midten af Hubble GOODS North-feltet.
Objektet, som er navngivet GNz7q, er her vist i midten af billedet af Hubble GOODS North-feltet. (Credit: NASA, ESA, G. Illingworth (University of California, Santa Cruz), P. Oesch (University of California, Santa Cruz; Yale University), R. Bouwens and I. Labbé (Leiden University), and the Science Team, S. Fujimoto et al. (Cosmic Dawn Center [DAWN] and University of Copenhagen)

Gemte sig for næsen af forskerne

Overraskende nok blev GNz7q fundet i det såkaldte Hubble GOODS North-felt, som er et af de mest intensivt udforskede områder af himlen.

”Det viser bare, at store opdagelser kan gemme sig lige for næsen af dig,” kommenterer Gabriel Brammer.

Fundet var kun muligt, fordi der eksisterer særdeles detaljerede datasæt for GOODS North-feltet med målinger for mange forskellige bølgelængder. GNz7q mangler nemlig de egenskaber, man normalt forbinder med kvasarer i det tidlige univers.

”Det virker usandsynligt, at det udelukkende var rent held, der tillod os af finde objektet i et så relativt lille område af himlen, som vi kiggede på. Muligvis er der flere af denne type objekter, end man hidtil havde regnet med,” tilføjer Brammer.

Forskerholdet håber nu at få mulighed for at lede efter flere objekter, der ligner GNz7q, blandt andet ved hjælp af rumteleskopet James Webb, som drives af ESA, NASA og CSA.

”Rumteleskopet James Webb vil gøre det muligt at karakterisere disse objekter og beskrive deres udvikling og den underliggende fysik langt mere detaljeret. Når Webb er i fuld drift, vil teleskopet være i stand til at fastslå, hvor almindelige disse hastigt voksende sorte huller i virkeligheden er,” konkluderer Seiji Fujimoto.

En videnskabelig artikel om fundet af GNz7q er nu publiceret i det prestigefyldte tidsskrift Nature.

Kontakt

Seiji Fujimoto
Postdoctoral fellow
Cosmic Dawn Center / Niels Bohr Institutet
Københavns Universitet
Mail: Fujimoto@nbi.ku.dk
Mobil: 35 33 53 60

Gabriel Brammer
Lektor
Cosmic Dawn Center / Niels Bohr Institutet
Københavns Universitet
Mail: gabriel.brammer@nbi.ku.dk
Mobil: 31 67 55 85

Sune Toft
Professor
Cosmic Dawn Center / Niels Bohr Institutet
Københavns Universitet
Mail: sune@nbi.ku.dk
Mobil: 35 32 59 08 / 61 68 09 30

Georgios Magdis
Lektor
Cosmic Dawn Center / DTU Space
geoma@space.dtu.dk 
35 33 53 04

Maria Hornbek
Journalist
Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet
Københavns Universitet
Mail: maho@science.ku.dk 
Mobil: 22 95 42 83

Læs også