Sorte hull levde av gass

De tidligste kvasarene rommet ikke særlig mye støv – kanskje fordi det ikke var mye stjernestøv i galaksen da de vokste seg store. Det viser ny forskning.

Publisert
Slik forestiller forskerne seg at et svart hull med tilhørende kvasar kan se ut. (Illustrasjon: NASA/JPL-Caltech)
Slik forestiller forskerne seg at et svart hull med tilhørende kvasar kan se ut. (Illustrasjon: NASA/JPL-Caltech)

Det var ikke mye støv å få tak i for de første, sultne og supermassive sorte hullene i universet – i hvert fall ikke varmt støv. De tidlige sorte hullene i midten av galakser måtte nøye seg med gass.

Det har en gruppe forskere – deriblant danske Marianne Vestergaard – funnet ut ved å studere det infrarøde lyset fra 21 fjerne kvasarer.

De to av kvasarene ligner ikke de andre, og den oppdagelsen kan fortelle astrofysikerne noe om universets utvikling.

Energibomber drevet av sorte hull

Kvasarer er universets energibomber – sterkt lysende områder i midten av fjerne galakser. På bakgrunn av tallrike observasjoner er astrofysikerne etter hvert blitt enige om at kvasarene får energien fra kjempemessige sorte hull.

Gass og støv trekkes nemlig inn mot det sorte hullet i galaksens sentrum, men det faller ikke rett inn. I stedet danner gassen og støvet en roterende skive omkring det sorte hullet.

Og det er friksjonen i denne skiven som forårsaker den kraftige strålingen fra kvasaren. De innerste delene av skiven roterer nemlig raskere enn de ytterste, og når stoffene gnisser mot hverandre, varmes de opp og sender ut stråling med forskjellige bølgelengder.

To kvasarer skiller seg ut

Strålingen kan fanges av opp teleskoper, og ved hjelp av bilder fra romteleskopet Spitzer, som måler det infrarøde området, har forskerne funnet ut at noen av de aller fjerneste kvasarene skiller ut seg fra de andre.

De har nemlig identifisert to kvasarer som – til forskjell fra de andre fjerne kvasarene – ikke har noe varmt støv. De sorte hullene i disse kvasarene sluker bare gass. Det gjør de til gjengjeld med stor appetitt, så de lyser ganske kraftig.

De to kvasarene ligger svært langt unna, og forskerne ser den strålingen de sendte ut da universet var ungt.

På sporet av støv

Astrofysiker Marianne Vestergaard, som er førsteamanuensis ved Dark Cosmology Centre ved Niels Bohr-instituttet under Københavns Universitet, har bidratt til artikkelen om oppdagelsen – en artikkel som nylig ble publisert i tidsskriftet Nature.

Hun forteller at det var overraskende å finne kvasarer med så lite varmt støv. Og forskerne fant også ut at mengden av varmt støv stiger med massen av det svarte hullet.

– Yngre kvasarer har alle rikelige mengder med støv, og vi ser ingen sammenheng mellom mengden av støv og massen av de sorte hullene. Det ser vi bare for de fjerneste kvasarene – da universet bare var cirka 800 millioner år gammelt.

En ny satellitt kan gi bedre data

Vestergaard gjør oppmerksom på at de fortsatt ikke vet om det er små mengder kaldt støv i de to galaksene.

Observasjoner av kaldt støv krever nemlig en teknologi som først nylig er kommet innen rekkevidde – nemlig målinger fra det europeiske romteleskopet Herschel, som ble sendt opp i mai i fjor.

– Det må svært dype observasjoner til i et bølgelengdeområde som vi inntil nylig ikke har kunnet undersøke. Og Herschel-satellitten er følsom lengre ut i det infrarøde området enn Spitzer-satellitten.

– Neste skritt er å få klarhet i mengden av kaldt støv i disse systemene for å se om disse kvasarene overhodet har støv. Vi vil også se på mengden av kald molekylgass – det stjerner dannes av.

Støvet kommer fra døende stjerner

Men hva skyldes forskjellen – hvorfor har de tidlige kvasarene bare gass å leve av? Det krever en lengre forklaring, som vi får fra Vestergaard:

– Vi vet at det bare ble skapt hydrogen og helium ved the big bang. De tyngre grunnstoffene er laget ved fusjon i kjernen av stjerner. De tyngre grunnstoffene spres ut i galaksen når stjernen dør, og kan være i gassform eller fast form.

– Støv er den faste formen, hvor flere og flere molekyler klumper seg sammen, omtrent som hybelkaniner. Før de første stjernene ble dannet, var det derfor bare hydrogen og helium i universet. Ettersom det ble dannet stadig flere stjerner, ble det langsomt dannet flere tyngre grunnstoffer.

Når astrofysikerne ser på fjerne objekter, ser de samtidig tilbake i tiden. Og derfor gir det også mening at de fjerneste kvasarene, som var tidligst ute, ikke rommer så mye støv.

For den gang var det fortsatt ikke mange stjerner som hadde levd lenge nok til å ha brukt opp drivstoffet sitt og i dødsfasen spredt tunge grunnstoffer som kunne bli til støv.

– Den mest sannsynlige forklaringen på fraværet av store mengder støv er at det fortsatt ikke hadde blitt dannet i store nok mengder til at vi kan se det, forteller Vestergaard.

Ny innsikt i hvordan galakser dannes

Nå vet forskerne altså litt mer om utviklingen av kvasarene – og dermed også om utviklingen av galaksene og universet generelt.

– I og med at disse kvasarene allerede har vist seg å være annerledes enn de fleste «modne» kvasarene, kan framtidige dype observasjoner av de galaksesystemene de befinner seg i, gi oss en god innsikt i hvordan de første galaksene ble dannet og når det sorte hullet kommer inn i bildet, sier Vestergaard.

– De fleste av disse undersøkelsene må vente til det nye James Webb Space Telescope blir sendt i opp 2014. Vi har behov for å ta dype bilder i et bølgelengdeområde som først da blir tilgjengelig for oss. Vi har også behov for et ekstremt følsomt instrument i det nær-infrarøde området. Det vil James Webb være.

Veier sorte hull

Det er tolv forskere fra universiteter i USA, Tyskland og Danmark som har arbeidet sammen om å analysere det infrarøde lyset fra de fjerne kvasarene. Marianne Vestergaard fra Niels Bohr-instituttet forteller om sin rolle:

– Mitt bidrag lå i bestemmelsen av massen av de sorte hullene, slik at de er mest konsistente for alle kvasarene.

– Vi bruker gass som kretser rundt det sorte hullet til å bestemme massen, akkurat som man kan bruke månens bane til å bestemme massen av jorden og dermed veie den.

– Men det er forskjellige gassarter, og kalibreringene av massebestemmelsen varierer mellom forskere. Jeg har arbeidet lenge med å oppnå så riktige og konsistente massebestemmelser som mulig.

– Dessuten har jeg hjulpet med diskusjonen og fortolkningen av resultatene, og jeg har kommentert og gitt forslag til artikkelen.

______________________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.

 

Referanse

Linhua Jiang et. al., Dust-free quasars in the early Universe, Nature, vol 464, s. 380-383, 18. mars 2010.