Dankzij de enorm verbeterde mogelijkheden van de hedendaagse telescopen, zijn astronomen dieper de kosmos in gegaan en verder terug in de tijd. Door dit te doen, hebben ze een aantal lang bestaande mysteries kunnen oplossen over hoe het universum sinds de oerknal is geëvolueerd. Een van deze mysteries is hoe superzware zwarte gaten (SMBH's), die een cruciale rol spelen in de evolutie van sterrenstelsels, zijn ontstaan tijdens het vroege heelal.
Met behulp van de Very Large Telescope (VLT) van ESO in Chili observeerde een internationaal team van astronomen sterrenstelsels zoals ze ongeveer 1,5 miljard jaar na de oerknal (ongeveer 12,5 miljard jaar geleden) verschenen. Verrassend genoeg zagen ze grote reservoirs met koel waterstofgas die een voldoende 'voedselbron' voor SMBH's hadden kunnen vormen. Deze resultaten zouden kunnen verklaren hoe SMBH's zo snel groeiden in de periode die bekend staat als de Cosmic Dawn.
Het team stond onder leiding van Dr. Emanuele Paolo Farina van het Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) en het Max Planck Institute for Astrophysics (MPA). Hij werd vergezeld door onderzoekers van zowel de MPIA als de MPA, de European Southern Observatory (ESO), UC Santa Barbara, de Arcetri Astrophysical Observatory, de Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna en het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPEP).
Al tientallen jaren bestuderen astronomen SMBH's, die in de kern van de meeste sterrenstelsels voorkomen en worden geïdentificeerd door hun Active Galatic Nuclei (AGN). Deze kernen, ook wel quasars genoemd, kunnen meer energie en licht uitstralen dan de rest van de sterren in het sterrenstelsel samen. Tot op heden is de ULAS J1342 + 0928 die het verst verwijderd is, 13,1 miljard lichtjaar verwijderd.
Aangezien de eerste sterren naar schatting slechts 100.000 jaar na de oerknal (ca. 13,8 miljard jaar geleden) zijn gevormd, betekent dit dat SMBH's snel moesten zijn gevormd vanaf de eerste sterfgevallen. Maar tot nu toe hadden astronomen tijdens het vroege heelal niet genoeg stof en gas gevonden om deze snelle groei te verklaren.
Bovendien bleek uit eerdere waarnemingen met de Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) dat vroege sterrenstelsels veel stof en gas bevatten, wat een snelle stervorming bevorderde. Deze bevindingen gaven aan dat er niet veel materiaal zou zijn overgebleven om zwarte gaten te voeden, wat het mysterie van hoe ook zij zo snel groeiden alleen maar groter maakte.
Om dit aan te pakken, vertrouwden Farina en zijn collega's op gegevens verzameld door het VLT's Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) -instrument om 31 quasars te onderzoeken op een afstand van ongeveer 12,5 miljard lichtjaar (en observeerden zo hoe ze eruit zagen 12,5 miljard jaar geleden). Dit maakt hun onderzoek een van de grootste voorbeelden van quasars uit deze vroege periode van het heelal. Wat ze vonden waren 12 uitgestrekte en verrassend dichte waterstofwolken.
Deze waterstofwolken werden geïdentificeerd door hun karakteristieke gloed in UV-licht. Gezien de afstand en het effect van roodverschuiving (waarbij de golflengte van licht wordt uitgerekt als gevolg van kosmische uitzetting), nemen aardgebonden telescopen de gloed waar als rood licht. Zoals Farina uitlegde in een MPIA-persbericht:
“De meest waarschijnlijke verklaring voor het glanzende gas is het fluorescentiemechanisme. De waterstof zet de energierijke straling van de quasar om in licht met een specifieke golflengte, wat opvalt aan een glimp.”
De wolken van koele, dichte waterstof - die miljarden maal de massa van de zon waren - vormden halo's rond de vroege sterrenstelsels die zich 100.000 lichtjaar van de centrale zwarte gaten uitstrekten. Gewoonlijk is het detecteren van dergelijke wolken rond quasars (die intens helder zijn) nogal moeilijk. Maar dankzij de gevoeligheid van het MUSE-instrument - dat Farina omschreef als 'een game changer' - vond het team ze vrij snel.
Zoals Alyssa Drake, een onderzoeker bij de MPIA die ook heeft bijgedragen aan de studie, zei:
“Met de huidige onderzoeken beginnen we nog maar net te onderzoeken hoe de eerste superzware zwarte gaten zich zo snel konden ontwikkelen. Maar nieuwe instrumenten zoals MUSE en de toekomstige James Webb Space Telescope helpen ons deze spannende puzzels op te lossen.”
Het team ontdekte dat deze gashalo's stevig aan de sterrenstelsels vastzaten en de perfecte 'voedselbron' vormden om zowel de snelle stervorming als de groei van superzware zwarte gaten te ondersteunen. Deze waarnemingen lossen effectief het mysterie op van hoe superzware zwarte gaten zo vroeg in de geschiedenis van het heelal zouden kunnen bestaan. Zoals Farina het samenvat:
“We zijn nu in staat om voor het eerst aan te tonen dat primordiale sterrenstelsels voldoende voedsel in hun omgeving hebben om zowel de groei van superzware zwarte gaten als krachtige stervorming te ondersteunen. Dit voegt een fundamenteel stuk toe aan de puzzel die astronomen bouwen om zich voor te stellen hoe kosmische structuren meer dan 12 miljard jaar geleden zijn gevormd.”
In de toekomst zullen astronomen nog meer geavanceerde instrumenten hebben om sterrenstelsels en SMBH's in het vroege heelal te bestuderen, wat nog meer details over oude gaswolken zou moeten onthullen. Dit omvat de ESO's Extremely Large Telescope (ELT), evenals ruimtetelescopen zoals de James Webb Space Telescope (JWST).
De studie die de bevindingen van het team beschrijft, verscheen in het nummer van 20 december The Astrophysical Journal.
