Kvasarenes lysshow slår alle rekorder

Astronomer målte i 2020 den kraftigste eksplosjonen noensinne, da en kvasar sendte ut et dødsskrik av lys. Målingene viser nå at kvasarer fører til kosmisk uvær, og det gir svaret på noen av universets største gåter.

Astronomer målte i 2020 den kraftigste eksplosjonen noensinne, da en kvasar sendte ut et dødsskrik av lys. Målingene viser nå at kvasarer fører til kosmisk uvær, og det gir svaret på noen av universets største gåter.

M. Kornmesser/ESO

I en fjern, fjern galakse begynte et supertungt svart hull for millioner av år siden å tiltrekke gass. Med stigende appetitt slukte det svarte hullet de virvlende gassene, noe som fikk temperaturen til å stige til flere millioner grader. Like før atomene forsvant ned i intetheten, sendte de ut et siste desperat skrik av lys som blusset ut gjennom galaksen.

Samtidig skjøt det svarte hullets magnetfelt to ut sterkt lysende jetstrømmer med nesten lysets hastighet – en kvasar hadde blitt tent.

© STScI/ESA/NASA

I 2020 observerte romteleskopet Hubble universets hittil kraftigste eksplosjon, da kvasaren med navnet SDSS J135246.37-423923.5 ble skrudd på.

Romteleskopets målinger avslører at kvasarer skaper voldsomme kosmiske stormvær som kan vise seg å være nøkkelen til noen av universets største gåter.

Fyrtårn beviste Einsteins teori

Den første kvasaren ble oppdaget i 1963 av den amerikanske astronomen Maarten Schmidt. Oppdagelsen beviste samtidig at svarte hull ikke bare er en eksotisk forutsigelse i Einsteins relativitetsteori, men en del av virkelighetens univers.

Astronomene hadde i begynnelsen av 1960-tallet funnet flere mystiske radiokilder som de kalte kvasistjerner – fordi radiobølgene hadde andre bølgelengder enn den som kom fra vanlige stjerner.

Se 3d-animation af den umulige kvasars altoverstrålende dødsskrig:

Da Maarten Schmidt undersøkte en av radiokildene i et teleskop, oppdaget han at fenomenet ikke skyldtes en stjerne, men et fjernt og ukjent objekt som sendte ut kortbølgestråling og synlig lys fra energirike hydrogengasser.

Grunnen til at astronomene hadde observert radiobølger i stedet for synlig lys, var at lysbølgene hadde reist gjennom rommet i 2,4 milliarder år og hadde blitt strukket ut til lange radiobølger på grunn av universets utvidelse.

Kvasarer blir skrudd på når supertunge svarte hull ubønnhørlig suger til seg støv og gass. Før gassene forsvinner ned i intetheten, antennes de og sender ut et siste desperat dødsskrik.

© Ken Ikeda Madsen

Gigantisk Svart hull suger til seg gass

I hjertet av en stor galakse med heftig stjernedannelse begynner et supertungt svart hull å tiltrekke seg store mengder gass. Gassen virvler rundt hullet med nær lysets hastighet.

© Ken Ikeda Madsen

Glovarme partikler tenner eksplosjon av lys

Partiklene varmes opp til flere millioner grader og oppnår så høy energi at opp mot 32 prosent av massen gjøres om til stråling, noe som skaper en voldsom eksplosjon av lys.

© Ken Ikeda Madsen

Jet sender hydrogen ut i det tomme rom

Samtidig skyter to jetstrømmer av ladde partikler ut i det intergalaktiske rommet. Det er en viktig årsak til at 40 prosent av den synlige massen er hydrogengass mellom galaksene.

© Ken Ikeda Madsen

Orkan av gass forhindrer stjernedannelse

Lyseksplosjonen sprer seg i alle retninger, og lystrykket skyver en orkan av gass vekk fra det svarte hullet og ut gjennom galaksen. Underveis sprer orkanen andre klumper av gass og motvirker på den måten at klumpene danner stjerner. Bremsen på stjernedannelsen forklarer hvorfor universet i dag inneholder relativt få kjempegalakser.

Til tross for at selve lyskilden bare var på størrelse med solsystemet, overstrålte den lyset fra 100 galakser.

Ifølge Schmidt kunne det bare bety en ting: Lyset måtte stamme fra glovarme hydrogengasser som virvlet rundt et supertungt svart hull. Senere har astronomene observert over en million kvasarer. De kosmiske fyrtårnene blir tent i store galakser med massevis av gass og heftig stjernedannelse.

Lystrykk skaper gassorkanen

Eksplosjonen av lys i kvasarens hjerte skaper et ekstremt lystrykk som skyver hydrogengasser i alle retninger.

Umiddelbart virker det underlig at lyset fra en kvasar skaper et så voldsomt trykk at det kan skyve gassmengder som svarer til flere hundre ganger solens masse hele veien ut gjennom kvasarens vertsgalakse.

100 millioner år kan en kvasar lyse før det svarte hullet har brukt opp drivstoffet.

Men når lyset fra en tilstrekkelig sterk lyskilde bombarderer atomer, trykker lyspartiklene på omgivelsene sine. Det skjer for eksempel dypt inne i solen, der lystrykket fra fusjonsprosessene i kjernen motvirker at tyngdekraften trekker stjernen sammen og får den til å kollapse.

Kvasaren lyser kraftigere enn flere hundre milliarder soler til sammen, og derfor utløser det ekstreme lystrykket en galaktisk orkan som sender hydrogengasser på flukt i alle retninger ut av galaksen.

Hubble måler hastigheten

Ved orkanens front varmes de flyktende gassene opp til over én milliard grader celsius, noe som får de glovarme atomene til å sende ut store mengder energirik røntgenstråling som senere følges av synlig lys og infrarød varmestråling. Hubble har observert ti kvasarer som befinner seg fire til ni milliarder lysår fra jorden.

På reisen gjennom verdensrommet blir lysbølgene strukket ut fordi universet utvider seg. Med andre ord har de ti kvasarenes opprinnelige røntgenstrålingen blitt strukket til lengre bølgelengder og har derfor endret seg til ultrafiolett stråling før de når fram til oss.

Ultrafiolett lys blir normalt blokkert av jordens atmosfære, men siden Hubble befinner seg utenfor atmosfæren, har den fritt utsyn til å observere de galaktiske orkanene.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Hubble oppdager gigantisk gassorkan

Lyset fra kvasaren er så sterkt at lystrykket blåser en orkan av gass ut gjennom galaksen. Romteleskopet Hubble har målt ti kvasarer og avslørt at gassene farer av sted med opptil 21 000 kilometer i sekundet.

Spektrometret Cosmic Origins Spectrograph bestemte strålingens bølgelengder presist, noe som gjorde det mulig å måle hastighetene til de flyktende hydrogengasser for første gang.

Spektrometret er så følsomt at det kan registrere små forskjeller i bølgelengdene fra gasser som beveger seg mot eller vekk fra romteleskopet.

Bølgelengden forlenges litt når en gassky beveger seg vekk fra Hubble, og den blir litt kortere når gassen blåser mot teleskopet.

Ved å bestemme forskyvningene av bølgelengdene i de galaktiske orkanene har Hubble registrert topphastigheter på mellom 4900 og 21 050 kilometer i sekundet. Raskest var gassorkanen fra kvasaren SDSS J1042+1646.4, som befinner seg i stjernebildet Løven.

8 mrd ganger solens masse hadde det svarte hullet som avfyrte kvasaren

Resultatene fra Hubble var så vidt blitt offentliggjort da Gemini North-teleskopet på Hawaii målte en galaktisk orkan med en svimlende fart på hele 39 000 kilometer i sekundet – som svarer til 13 prosent av lysets hastighet.

Orkanen blåser fra kvasaren SDSS J135246.37+423923.5, der et supertungt svart hull med 8,6 milliarder solmasser driver den ville kosmiske eksplosjonen. Til sammenligning rommer det supertunge svarte hullet i Melkeveien bare 4,1 millioner solmasser.

Kvasar ble skrudd på uhørt tidlig

Inntil for et par år siden mente forskerne at de supertunge svarte hullene i galaksenes hjerter først ble store nok til å tenne kvasarer tidligst en milliard år etter big bang. Men i 2018 fant astronomene kvasaren ULAS J1342+0928, som ble antent av et supertungt svart hull på 800 millioner solmasser bare 690 millioner år etter at universet ble til.

Oppdagelsen av kvasaren i det tidlige universet har gitt astronomene grått hår på hodet. Den mest utbredte modellen for hvordan de første supertunge svarte hullene ble til, kan ikke forklare hvordan et så enormt hull kunne oppstå i det tidlige universet.

Ifølge den klassiske teorien eksploderte universets første generasjon av kjempestjerner som supernovaer og etterlot svarte hull med opptil 100 solmasser.

De støtte deretter sammen og ble såkorn for de første supertunge svarte hullene i galaksene.

Med så små såkorn kan monsterhull som J1342+0928 ifølge teorien først oppstå tidligst en milliard år etter big bang. Svarte hull vokser rett og slett ikke raskt nok, selv om de har kontinuerlig adgang til all den gassen de kan sluke.

Teleskopet SPT-1 på Antarktis er del av det såkalte Event Horizon Telescope – et globalt nettverk av radioteleskoper som overvåker sorte hull.

© Jason Gallicchio/Fermilab

For å forklare fenomenet har astronomene måttet utvikle en rekke nye teorier. Ifølge den ledende modellen kollapset enorme gasskyer direkte til svarte hull med en masse på flere millioner soler allerede omkring 270 millioner år etter universet ble til.

Med så store og grådige såkorn kunne de tidligste kvasarene vokse seg store og skru på kvasarer før universet ble 700 millioner år gammelt. Teorien er besnærende, selv om den fortsatt ikke er bevist.

Kvasarenes storhetstid

Kvasarene hadde sin storhetstid for 10–12 milliarder år siden. På det tidspunktet fantes det mange store galakser med tette gasskyer, som fôret de supertunge svarte hullene i galaksenes kjerner med gass, mens gasskyene lenger ute i galaksen kondenserte og fødte nye stjerner på samlebånd. Deretter ble de fleste kvasarene slukket, noe som henger nøye sammen med lystrykket og de galaktiske orkanene.

Ifølge astronomene skyver lystrykket fra en kvasar i løpet av millioner av år gass vekk fra skiven omkring det supertunge svarte hullet.

Dermed har kvasaren en innebygget bremse som skrur av fyrtårnet når det supertunge svarte hullet går tomt for gass. I noen tilfeller kan kvasaren imidlertid tennes igjen etter noen millioner år hvis det supertunge svarte hullet klarer å tiltrekke tilstrekkelige mengder gass til å starte et nytt lysshow.

Da den første kvasaren ble oppdaget for 60 år siden, beviste den at svarte hull finnes. Senere er det observert flere millioner kvasarer, men de er fortsatt innhyllet i mystikk – for eksempel hvorfor de første kvasarene oppsto mye tidligere enn de burde.

© SSDT

1963: Kvasarer beviser at svarte hull eksisterer

Svarte hull var bare en teori fram til den første kvasaren, 3C 273, ble oppdaget. Den amerikanske astronomen Maarten Schmidt fant et ekstremt lite og fjernt objekt 2,4 milliarder lysår unna som overstrålte 100 vanlige galakser. Fenomenet hadde bare én mulig forklaring: Lyset kom fra glovarm hydrogengass som virvlet rundt et supertungt svart hull på vei ned i intetheten.

© Ken Ikeda Madsen

2018: De første kvasarene oppsto overraskende raskt

Ifølge standardteorien ble galaksene først store nok til å skru på kvasarer minst en milliard år etter universet ble til, men astronomene har oppdaget en kvasar med et supertungt svart hull på 800 millioner solmasser som oppsto bare 690 millioner år etter big bang. Ifølge den klassiske modellen burde det ikke være nok tid til å bygge opp et så stort svart hull bit for bit.

© J.Y. Kim (MPIfR), Boston University Blazar Program (VLBA and GMVA), and Event Horizon Telescope Collaboration.

2020: Første detaljerte fotografi av en gigantisk jetstrøm

Event Horizon Telescope offentliggjorde det første detaljerte fotografiet av bunnen av den jetstrømmen av ladde partikler som en kvasar sender ut gjennom vertsgalaksen. Kvasaren 3C 279 befinner seg i Virgogalaksehopen fem milliarder lysår unna. Observasjonene viser at bunnen av jetstrømmen har en overraskende forvridd form, sannsynligvis skapt av magnetfeltene fra den roterende gasskiven.

Observasjonene fra Hubble og Gemini viser nå for første gang at orkanen av hydrogengasser blåser hele veien ut til de fjerneste avkrokene av galaksen og underveis legger en kraftig demper på stjerne­dannelsen – og dermed løser to av de største gåtene om galaksenes utvikling.

Færre stjerner bliver dannet

Forskerne har lenge undret seg over hvorfor stjernedannelsen i universet bremset opp etter kvasarenes storhetstid og senere har falt jevnt og trutt.

Men Hubbles og Geminis målinger viser nå at det i stor grad skyldes kvasarenes gassorkaner, som sprer et enormt antall tette klumper av hydrogengasser som ellers ville ha født nye stjerner i alle hjørner av vertsgalaksene.

1 mrd grader er fronten på gassorkanen når den bruser gjennom universet.

Fenomenet forsterkes av at de to jet­strømmene av ladde partikler som skyter ut i verdensrommet vinkelrett på kvasarens lysende skive, effektivt bremser stjernedannelsen. Jetstrømmene oppstår i det voldsomme magnetfeltet omkring det svarte hullet og sprer store mengder gass over enorme områder, slik at den blir altfor tynn til å danne stjerner.

Omkring 40 prosent av universets synlige masse er ekstremt tynne hydrogengasser i det nesten tomme rommet mellom galaksene.

Oppdagelsen av kvasarenes galaktiske orkaner har også gitt svaret på en annen gåte forskerne har slitt med: Hvorfor universet inneholder relativt få gigantiske galakser.

Kvasarenes evne til å spre tette gasskyer og skyte store mengder hydrogengass ut i det intergalaktiske rommet setter en grense for hvor mye galaksene kan vokse ved ny stjernedannelse før en mangel på bygningsmateriale oppstår.

© M. Kornmesser/ESO

Derfor har galaksene gjennom de siste milliarder år først og fremst vokst ved galaksesammenstøt, der alle stjernene forenes i en ny og større galakse. Siden en kollisjon mellom to store galakser kan skru på en kvasar, har galaksesammenstøt spilt en sentral rolle for kvasarenes utvikling.

Kollisjon tenner ny kvasar

Når to store galakser braker sammen, forenes etter hvert supertunge svarte hull. Det nye gigantiske svarte hullet tiltrekker massevis av gass fra begge galakser, noe som tenner kvasaren.

Sammenstøt mellom galakser var hyppige i kvasarenes storhetstid for 10–12 milliarder år siden, da universet bare var en tredjedel av sin nåværende størrelse.

Galaksene var derfor nærmere hverandre og kom lettere på kollisjonskurs. Galaksesammenstøt skaper imidlertid fortsatt nye kvasarer, og i noen tilfeller tenner den nye kjempegalaksen to kvasarer samtidig.

Det skjer særlig når de supertunge svarte hullene i de kolliderende galaksene er noenlunde like store. I så fall kan begge hullene rekke å suge til seg så mye gass før de forenes at hullene tenner hver sin kvasar.

© Z. Levay and R. van der Marel (STScI), and A. Mellinger/ESA/NASA

I 2018 fant Nasas røntgenteleskop Chandra flere slike dobbeltkvasarer.

Samtidig bekreftet teleskopet at kollisjoner mellom en stor og en mindre galakse typisk bare medfører én kvasar, siden de supertunge svarte hullene raskere smelter sammen.

I Melkeveien kretser 200–400 milliarder stjerner rundt et supertungt svart hull på 4,1 millioner solmasser. Galaksen er på kollisjonskurs med den større naboen Andromeda, som rommer et supertungt svart hull på 60 millioner solmasser og omkring en billion stjerner.

De to galaksene ventes å brake sammen om 4,5 millioner år, noe som vil føre til dannelsen av en stor, elliptisk galakse – og tenne en ny kvasar i nabolaget vårt.