I en galax långt, långt borta började ett supertungt svart hål för miljontals år sedan att attrahera gas. Med växande aptit slukade det svarta hålet de virvlande gasmassorna, vilket fick temperaturen att stiga till miljontals grader. Strax innan atomerna försvann ner i intet utstötte de ett sista, desperat skrik av ljus som blossade upp i galaxen.
Samtidigt sköt det svarta hålets magnetfält ut två starkt lysande jetströmmar i nära nog ljusets hastighet. En kvasar hade tänts.
År 2020 observerade rymdteleskopet Hubble universums hittills kraftigaste explosion när kvasaren med det tungvrickande namnet SDSS J135246.37+423923.5 tändes.
Rymdteleskopets mätningar visar att kvasarer ligger bakom våldsamma kosmiska oväder, vilket kan visa sig vara nyckeln till några av universums största gåtor.
Fyrtorn bevisade Einsteins teori
Den första kvasaren upptäcktes år 1963 av den amerikanske astronomen Maarten Schmidt. Upptäckten visade samtidigt att svarta hål inte bara är en exotisk förutsägelse i Einsteins relativitetsteori, utan ett existerande fenomen i universum.
I början av 1960-talet hade astronomerna hittat flera mystiska radiokällor som de kallade kvasistjärnor, eftersom radiovågorna hade andra våglängder än vanliga stjärnors radiostrålning.
Se 3d-animation av den omöjliga kvasarens strålande dödskrig:
Forskere har genskabt kvasaren ULAS J1120+0641, som opstod langt tidligere i universets historie, end den burde.
När Schmidt studerade en av radiokällorna i ett teleskop upptäckte han att fenomenet inte kunde förklaras med en stjärna utan en avlägset belägen, okänd himlakropp som gav ifrån sig kortvågig strålning och synligt ljus från energirik vätgas.
Orsaken till att astronomerna hade observerat radiovågor i stället för synligt ljus var att ljusvågorna hade färdats genom rymden i 2,4 miljarder år och till följd av universums utvidgning sträckts ut till långa radiovågor.
Damm och gas utstöter ljusvrål
Gigantisk svart hål attraherar gas
I hjärtat av en stor galax med omfattande stjärnbildning börjar ett supertungt svart hål attrahera stora mängder gas. Gasen virvlar runt hålet i nära ljusets hastighet.
Glödheta partiklar skapar explosion av ljus
Partiklarna värms upp till flera miljoner grader och uppnår så höga energier att upp emot 32 procent av deras massa omvandlas till strålning, vilket skapar en våldsam explosion av ljus.
Jetströmmar slungar ut väte i tomma rymden
Samtidigt slungas två jetströmmar av laddade partiklar ut i den intergalaktiska rymden. Strömmarna är en viktig anledning till att 40 procent av den synliga massan är tunn vätgas mellan galaxerna.
Orkan av gas hindrar stjärnbildning
Ljusexplosionen sprids i alla riktningar och ljustrycket slungar ut en orkan av gas ur det svarta hålet och vidare genom galaxen. Längs vägen sprider orkanen ut andra gasansamlingar och motverkar på så sätt att de bildar stjärnor. Detta hinder för stjärnbildning förklarar varför universum i dag innehåller förhållandevis få jättegalaxer.
Trots att ljuskällan bara var stor som solsystemet överglänste den ljuset från hundra galaxer.
Enligt Schmidt kunde det bara betyda en sak: Ljuset måste komma från glödhet vätgas som virvlade runt ett supertungt svart hål.
Sedan dess har astronomerna observerat över en miljon kvasarer. De kosmiska fyrtorneƒn tänds i stora galaxer med stora mängder gas och omfattande stjärnbildning.
Ljustryck skapar gasorkan
Explosionen av ljus i kvasarens mitt skapar ett extremt ljustryck som slungar vätgas åt alla håll.
Vid en första anblick verkar det underligt att ljuset från en kvasar skapar ett så kraftigt tryck att det kan slunga gasmängder motsvarande flera hundra gånger solens massa ända ut ur kvasarens värdgalax.
100 miljoner år kan en kvasar lysa innan det svarta hålet har förbrukat sitt bränsle
Men när ljuset från en tillräckligt stark ljuskälla bombarderar atomer utövar ljuspartiklarna ett tryck på sin omgivning. Det sker till exempel djupt inne i solen, där ljustrycket från fusionsprocesserna i kärnan motverkar att gravitationen drar ihop stjärnan och får den att kollapsa.
Kvasaren lyser starkare än hundratals miljarder solar tillsammans. Därför ger det extrema ljustrycket upphov till en galaktisk orkan som slungar vätgas åt alla håll, ut ur galaxen.
Hubble mäter hastigheten
Vid orkanens front värms den utslungade gasen till över en miljard grader, vilket får de glödheta atomerna att avge stora mängder energirik röntgenstrålning, som sedan följs av synligt ljus och infraröd värmestrålning.
Hubble har observerat tio kvasarer som befinner sig fyra till nio miljarder ljusår från jorden. Under resan genom rymden sträcks ljusvågorna ut, eftersom universum utvidgas.
De tio kvasarernas ursprungliga röntgenstrålning har alltså sträckts ut till längre våglängder och därför övergått till ultraviolett strålning innan de når jorden.
Ultraviolett ljus blockeras normalt av jordens atmosfär, men eftersom Hubble kretsar utanför atmosfären kan teleskopet observera de galaktiska orkanerna.
Hubble hittar gigantisk gasorkan
Ljuset från kvasaren är så starkt att ljustrycket slungar ut en orkan av gas i galaxen. Rymdteleskopet Hubble har gjort mätningar av tio kvasarer och visat att gaserna far iväg i upp till 21 000 kilometer i sekunden.
Spektrometern Cosmic Origins Spectrograph mätte strålningens våglängder exakt, vilket gjorde det möjligt att mäta den utslungade vätgasens hastigheter för första gången någonsin.
Spektrometern är så känslig att den kan registrera små, små skillnader i våglängderna från gasen som rör sig mot eller bort från rymdteleskopet.
Våglängden förlängs en aning när ett gasmoln rör sig bort från Hubble och blir något kortare när gasen rör sig mot teleskopet.
Genom att bestämma förskjutningarna av våglängderna i de galaktiska orkanerna har Hubble registrerat topphastigheter på mellan 4 900 och 21 050 kilometer i sekunden. Snabbast av alla var gasorkanen från kvasaren SDSS J1042+1646.4, som befinner sig i stjärnbilden Lejonet.
8 miljarder gånger solens massa hade det svarta hål som tände den hittills största kvarsaren.
Resultaten från Hubble hade knappt hunnit offentliggöras förrän teleskopet Gemini North på Hawaii, USA, uppmätte en galaktisk orkan med en svindlande hastighet av hela 39 000 kilometer i sekunden, motsvarande 13 procent av ljusets hastighet.
Den orkanen blåser från kvasaren SDSS J135246.37+423923.5, där ett enormt, supertungt svart hål med 8,6 miljarder solmassor driver den kosmiska explosionen. I jämförelse innehåller det supertunga svarta hålet i Vintergatan 4,1 miljoner solmassor.
Kvasar tändes oerhört tidigt
Tills för ett par år sedan trodde forskarna att de supertunga svarta hålen i hjärtat av galaxerna blev stora nog för att kunna tända kvasarer först en miljard år efter stora smällen. År 2018 hittade emellertid astronomerna kvasaren ULAS J1342+0928, som tändes av ett supertungt svart hål på 800 miljoner solmassor och lyste upp himlen bara 690 miljoner år efter universums skapelse.
Upptäckten av kvasaren i det unga universum har gett astronomerna grå hårstrån. Den vanligaste modellen för bildningen av de första supertunga svarta hålen kan inte förklara hur ett så enormt stort hål kunde uppstå så tidigt i universums historia.
Enligt den klassiska teorin exploderade universums första generation av jättestjärnor som supernovor och efterlämnade svarta hål med upp till hundra solmassor.
Sedan kolliderade de och blev till sädeskorn för galaxernas första supertunga svarta hål.
Med så små sädeskorn skulle monsterhål som J1342+0928 enligt teorin kunna uppstå först en miljard år efter stora smällen. Svarta hål växer helt enkelt inte tillräckligt snabbt, trots att de har ständig tillgång till gas att sluka.
Teleskopet SPT-1 på Antarktis är en del av Horizon Telescope – ett globalt nätverk av radioteleskop som övervakar svarta hål och deras urladdningar.
För att förklara fenomenet har astronomerna tvingats utveckla nya teorier. Enligt den ledande modellen kollapsade enorma gasmoln direkt till svarta hål med en massa motsvarande miljontals solar redan cirka 270 miljoner år efter universums skapelse.
Med så stora och giriga sädeskorn kunde de tidigaste kvasarerna mycket väl växa sig stora och tändas innan universum blev 700 miljoner år gammalt. Teorin låter fängslande, trots att den ännu inte har bevisats.
Kvasarernas storhetstid
Kvasarerna hade sin storhetstid för tio till tolv miljarder år sedan. På den tiden fanns det en mängd stora galaxer med täta gasmoln som matade de supertunga svarta hålen i galaxernas kärnor med gas, medan gasmolnen längre ut i galaxen kondenserade och födde nya stjärnor på löpande band.
Därefter slocknade de flesta kvasarerna, vilket hänger samman med ljustrycket och de galaktiska orkanerna.
Enligt astronomerna slungar ljustrycket från en kvasar under loppet av miljontals år ut gas från skivan runt det supertunga svarta hålet.
På så sätt har kvasaren en inbyggd broms som släcker fyrtornet när det supertunga svarta hålet får slut på gas. I vissa fall kan kvasaren emellertid tändas igen efter några miljoner år om det supertunga svarta hålet lyckas attrahera tillräckligt mycket gas för att få till en ny ljusshow.
Kvasarerna vållar huvudbry
1963: Kvasarer bevisar existensen av svarta hål
Före upptäckten av den första kvasaren, 3C 273, var svarta hål bara en teori. Den amerikanske astronomen Maarten Schmidt hittade en extremt liten himlakropp 2,4 miljarder ljusår bort som överglänste hundra vanliga galaxer. Fenomenet hade bara en möjlig förklaring: Ljuset kom från glödhet vätgas som virvlade runt ett supertungt svart hål, på väg ner i intet.
2018: De första kvasarerna bildades osannolikt snabbt
Enligt standardteorin blev galaxerna stora nog för att tända kvasarer först en miljard år efter universums skapelse, men astronomerna har upptäckt en kvasar med ett supertungt svart hål på 800 miljoner solmassor som bildades redan 690 miljoner år efter stora smällen (i det röda fältet i mitten). Enligt den klassiska modellen var det för tidigt för att ett så stort svart hål skulle hinna byggas upp.
2020: Första detaljerade fotot av en gigantisk jetström
Event Horizon Telescope offentliggjorde det första detaljerade fotot av bottnen av den jetström av laddade partiklar som en kvasar sänder ut genom värdgalaxen. Kvasaren 3C 279 befinner sig i Virgohopen, som ligger fem miljarder ljusår bort. Observationerna visar att jetströmmens botten har en märkligt förvriden form som troligen har skapats av den roterande gasskivans magnetfält.
Observationerna från Hubble och Gemini visar nu för första gången att orkanen av vätgas blåser ända ut till galaxens mest avlägsna delar och längs vägen kraftigt dämpar stjärnbildningen – och därmed löser två av de största gåtorna om galaxernas utveckling.
Det bildas färre stjärnor
Forskarna har länge undrat hur det kommer sig att stjärnbildningen i universum stannade av efter kvasarernas storhetstid och sedan dess har minskat i jämn takt.
Hubbles och Geminis mätningar visar att det i hög grad beror på kvasarernas gasorkaner, som sprider ut ett enormt stort antal täta ansamlingar av vätgas som annars skulle ha fött nya stjärnor i alla hörn av värdgalaxerna.
1 miljard grader varm är fronten på gasorkanen när den far fram genom universum.
Fenomenet förstärks av att de två jetströmmarna av laddade partiklar som slungas ut i rymden vinkelrätt mot kvasarens skiva effektivt hindrar stjärnbildning.
Jetströmmarna uppstår i det starka magnetfältet kring det svarta hålet och sprider stora mängder gas över enorma områden, så att den blir allt för tunn för stjärnbildning. Cirka 40 procent av universums synliga massa är extremt tunn vätgas i den praktiskt taget tomma rymden mellan galaxerna.
Upptäckten av kvasarernas galaktiska orkaner har även gett svaret på en annan gåta: Varför universum innehåller så pass få gigantiska galaxer.
Kvasarernas förmåga att sprida täta gasmoln och slunga ut stora mängder vätgas i den intergalaktiska rymden begränsar hur mycket galaxerna kan växa genom ny stjärnbildning innan det uppstår brist på byggmaterial.
Kvasarens jetstrålar skjuter ut vinkelrätt från den roterande skivan av glödhet gas.
Därför har galaxerna under de senaste miljarder åren huvudsakligen växt genom galaxkollisioner där alla stjärnor förenas i en ny, större galax.
Eftersom en kollision mellan två stora galaxer kan tända en kvasar har galaxkollisioner spelat en viktig roll för kvasarernas utveckling.
Kollision tänder ny kvasar
När två stora galaxer kolliderar förenas med tiden deras supertunga svarta hål. Det nya, gigantiska svarta hålet attraherar massor av gas från båda galaxerna, vilket tänder kvasaren. Kollisioner mellan galaxer var vanliga under kvasarernas storhetstid för tio till tolv miljarder år sedan, då universum bara var en tredjedel av sin nuvarande storlek.
Galaxerna befann sig då närmare varandra och hamnade lättare på kollisionskurs.
Galaxkollisioner skapar emellertid fortfarande nya kvasarer och i vissa fall tänder den nya jättegalaxen två kvasarer samtidigt.
Det sker framför allt när de supertunga svarta hålen i de kolliderande galaxerna är ungefär lika stora. I så fall kan båda hålen attrahera så mycket gas innan de förenas att hålen tänder var sin kvasar.
År 2018 upptäckte Nasas röntgenteleskop Chandra flera sådana dubbelkvasarer. Samtidigt bekräftade teleskopet att det vid kollisioner mellan en stor och en mindre galax vanligen bara uppstår en kvasar, eftersom de supertunga svarta hålen smälter samman snabbare.
I Vintergatan kretsar 200–400 miljarder stjärnor runt ett supertungt svart hål på 4,1 miljoner solmassor. Galaxen befinner sig på kollisionskurs med sin större granne Andromeda, som har ett supertungt svart hål på 60 miljoner solmassor och omkring en biljon stjärnor.
De två galaxerna väntas kollidera om 4,5 miljoner år, vilket kommer att skapa en enda stor, elliptisk galax – och tända en ny kvasar i vårt grannskap.