Universums äldsta svarta hål är alltför stort
13 miljarder ljusår bort har forskare hittat ett supertungt svart hål som är svårt att förklara: Det är alldeles för stort för att ha bildats på det sätt som den klassiska teorin förutsäger. Därför måste forskarna nu hitta en ny teori som kan förklara hur hålet har vuxit sig så stort så snabbt.
13 miljarder ljusår bort har astronomer hittat ett svart hål som är mycket större än vad forskarnas klassiska teori säger att det bör vara.
Det supertunga svarta hålet J1342+0928, som omges av en roterande skiva av gas, är den äldsta och mest avlägset belägna himlakropp som astronomerna har observerat.
Med en glupande aptit slungar hålet in stora virvlande gasmoln bakom händelsehorisonten, där gravitationen är så stark att inte ens ljus kan ta sig ut.
Hålet utgör centrum i en kvasar, hjärtat i världsrymdens mest ljusstarka och aktiva galaxer.
De flesta kvasarer hade sin storhetstid fyra miljarder år efter stora smällen, då deras svarta hål fått gott om tid på sig att växa till monsterhål.
Men J1342+0928 lyste upp himlen redan 690 miljoner år efter stora smällen, och ändå har den tidiga kvasaren enligt forskarnas beräkningar ett monsterhål på 800 miljoner solmassor.
Upptäckten av J1342+0928 år 2017 förbryllade astrofysikerna, för enligt den klassiska teorin om ursprunget till universums första supertunga svarta hål borde hålet inte ha kunnat bli så stort på så kort tid.
Roterande gas avger strålning
Ljuset från kvasarer uppstår för att gasmoln accelereras till så höga energier runt det svarta hålet att över en tredjedel av gasens massa omvandlas till ljus.
Samtidigt skapar den roterande gasskivan extremt starka magnetfält som sänder ut två jetströmmar av elektriskt laddade partiklar i 99 procent av ljusets av.
Tillsammans avger skivan och jetströmmarna mer ljus än dussintals vanliga galaxer.
Ljuset är så starkt att det kan registreras av teleskop, trots att ljusvågorna har färdats genom universum i miljardtals år på sin väg mot jorden. Kvasaren syns som en strålkastare om en jetström är riktad mot jorden.
Den roterande gasskivan runt kvasarens svarta hål skapar starka magnetfält som skickar ut två jetströmmar av elektriskt laddade partiklar i universum.
Kvasarer är bevis för svarta hål
Det var upptäckten av kvasarer som slutgiltigt bevisade att svarta hål inte bara är ett teoretiskt fenomen, utan att de faktiskt existerar.
I början av 1960-talet hade astronomerna observerat flera mystiska källor som gav ifrån sig radiovågor.
Astronomerna kallade dem kvasistjärnor eftersom radiovågorna från källorna skilde sig från den strålning som kommer från vanliga stjärnor.
År 1963 studerade den amerikanske astronomen Maarten Schmidt en av dessa källor med hjälp av ett radioteleskop i Kalifornien. Han upptäckte att strålningen inte alls kom från en stjärna utan från en avlägsen okänd himlakropp som gav ifrån sig kortvågig strålning.
Teleskopet visade långa radiovågor i stället för kortare ljusvågor eftersom ljuset från himlakroppen hade färdats genom rymden i en miljard år och sträckts ut till radiovågor längs vägen på grund av universums utvidgning.
Ljuskällan som Schmidt observerade lyste starkare än hundra galaxer, men var ändå inte större än vårt eget solsystem.
Det fanns bara en tänkbar förklaring på fenomenet: Det kosmiska fyrtornet måste ha skapats av virvlande vätgas runt ett supertungt svart hål.
Efter Schmidts observation döptes himlakropparna om från det missvisande namnet kvasistjärnor till kvasarer.
Svarta hål är för stora
I dag vet astronomerna att det i hjärtat av alla stora galaxer finns ett supertungt svart hål som har allt från två miljoner till flera miljarder solmassors storlek.
De största svarta hålen i vår tids universum har inte bara växt genom att sluka gas från sina omgivningar, utan även genom galaxkollisioner som uppstår genom att supertunga svarta hål i kolliderande galaxer attraherar varandra och smälter samman.
Alla stora galaxer har ett supertungt hål i mitten precis som vår galax Vintergatan.
År 2000 upptäckte astronomerna emellertid en kvasar som existerade redan 900 miljoner år efter stora smällen, och år 2012 observerades en enorm kvasar med ett svart hål på två miljarder solmassor som lyste upp himlen endast 770 miljoner år efter universums tillblivelse.
Dessa båda upptäckter överensstämde inte med den klassiska teorin om de första supertunga svarta hålens uppkomst, men forskarna tänkte att kvasarerna kanske utgjorde undantaget som bekräftade regeln.
Några år senare upptäcktes kvasaren med monsterhålet på 800 miljoner solmassor, som uppstod endast 690 miljoner år efter stora smällen. Då insåg astronomerna att teorin inte stämmer.
Första stjärnor lämnar hål
I årtionden har astronomerna trott att ”fröna” ur vilka de tidiga svarta jättarna uppstod kom från de första stjärnorna, som började lysa ett par hundra miljoner år efter stora smällen.
Dessa stjärnor var enormt stora i förhållande till vår tids stjärnor. När de hade förbrukat bränslet i kärnan exploderade de som supernovor och efterlämnade sig svarta hål på upp till hundra solmassor.
Enligt den klassiska teorin växte de ursprungliga svarta hålen, som bara var stora som stjärnor, till supertunga svarta hål genom att sluka gaser i miljardtals år. Denna modell förklarar dock inte monsterhålet J1342+0928.
Även om ett frö stort som en stjärna konstant hade matats med gas hade hålet nått 800 miljoner solmassors storlek som tidigast en miljard år efter stora smällen.
Forskarna tvingades därför först skriva om teorin något för att försöka få den att stämma: Jättestjärnorna föddes i hopar, och de svarta hål som de gav upphov till befann sig nära varandra.
Därför är det inte helt osannolikt att vissa av hålen attraherade varandra och smälte samman till svarta hål på cirka tusen solmassor, som genast började växa genom att förtära gas.
Svarta hål tar pauser i frosseriet
Även med forskarnas extra stora frön framstår det som närmast omöjligt att bygga upp monsterhål som J1342+0928 före en miljard år efter stora smällen
Det låter sig i princip göras med denna metod, men bara under förutsättning att det svarta hålet hela tiden har fri tillgång till gas, och det är inte realistiskt.
När ett svart hål äter gas från en roterande skiva avger nämligen de virvlande gaserna runt hålet stora mängder strålning, vilket flyttar gaserna bort från hålet.
Med tiden finns det därför inte någon gas kvar. Då upphör hålets tillväxt under miljontals år, tills den väldiga massan återigen har dragit gas till händelsehorisonten och tillväxten kan fortsätta.
Dessa många – och långa – matpauser gör det omöjligt för det nyupptäckta supertunga svarta hålet att bygga upp 800 miljoner solmassor på bara 690 miljoner år med den metod som beskrivs i den klassiska teorin.
Därför har de tre kvasarerna fått forskarna att leta efter en helt ny förklaring till hur hålen har kunnat växa sig så stora.