Universets eldste sorte hull er altfor stort
13 milliarder lysår unna har forskere funnet et supertungt svart hull som har gitt dem et forklaringsproblem: Det er altfor stort til å være dannet på den måten den klassiske teorien tilsier. Derfor må forskerne nå på jakt etter en ny teori som kan forklare hvordan hullet har vokst seg så stort så raskt.
13 milliarder lysår unna har astronomer funnet et sort hull som er mye større enn forskernes klassiske teori sier at det kan være.
Det supertunge svarte hullet J1342+0928 er det eldste og fjerneste himmellegemet astronomene har sett.
Det er omgitt av en roterende skive av gass, og med en glupende appetitt trekker hullet virvlende gasskyer inn bak begivenhetshorisonten, der tyngdekraften er så ekstrem at ikke engang lyset slipper unna.
Hullet er sentrum i en såkalt kvasar – hjertet i de mest aktive og lyssterke galaksene som finnes i verdensrommet.
De fleste kvasarene hadde sin storhetstid om lag fire milliarder år etter big bang, da de svarte hullene hadde hatt god tid til å vokse til monsterstørrelse.
Men J1342+0928 opplyste himmelen allerede 690 millioner år etter big bang, og likevel skjuler den tidlige kvasaren et monsterhull på 800 millioner solmasser, har forskerne beregnet.
Funnet av J1342+0928 i 2017 har skapt problemer for astrofysikerne – for ifølge den klassiske teorien om opprinnelsen av universets første supertunge svarte hull burde ikke hullet kunne bli så enormt på så kort tid.
Roterende gass sender ut stråling
Lyset fra kvasarer oppstår fordi gasskyer akselereres til så høye energier – når de suges inn mot midten av det svarte hullet i midten – at over en tredjedel av gassens masse omdannes til lys.
Samtidig skaper den roterende gasskiven ekstremt kraftige magnetfelt, som sender ut to jetstrømmer av elektrisk ladede partikler gjennom galaksen. Partiklene beveger seg med 99 prosent av lyshastigheten.
Sammen sender skiven og jetstrømmene ut mer lys enn flere titalls vanlige galakser til sammen.
Lyset er så kraftig at teleskoper kan fange det opp selv om lysbølgene har reist gjennom universet i flere milliarder år på vei mot jorda. Hvis en jetstrøm peker mot jorda, vil kvasaren bli synlig en prosjektør.
Den roterende gasskiven rundt kvasarens sorte hull skaper svært kraftige magnetfelt, som sender to jetstrømmer av elektrisk ladede partikler ut i universet.
Kvasarer er bevis for sorte hull
Det var observasjoner av kvasarer som endelig beviste at svarte hull ikke bare er et teoretisk fenomen, men faktisk eksisterer.
I begynnelsen av 1960-tallet hadde astronomer observert flere mystiske kilder som sendte ut radiobølger.
De kalte dem kvasistjerner, fordi radiobølgene de fanget opp, var annerledes enn den strålingen som kommer fra vanlige stjerner.
I 1963 studerte den amerikanske astronomen Maarten Schmidt en av kildene med et radioteleskop i California, og han oppdaget at strålingen slett ikke kom fra en stjerne, men fra et fjernt, ukjent objekt som sendte ut kortbølget stråling.
Teleskopet plukket opp lange radiobølger i stedet for kortere lysbølger fordi lyset fra objektet hadde reist gjennom verdensrommet i en milliard år og hadde blitt strukket ut til radiobølger underveis fordi selve universet utvider seg.
Den lyskilden Schmidt observerte, lyste kraftigere enn 100 galakser, men var like vel ikke større enn solsystemet.
Det var bare én mulig forklaring på fenomenet: Det kosmiske fyrtårnet måtte være skapt av virvlende hydrogengasser rundt et supertungt svart hull.
Himmellegemene ble etter Schmidts observasjon døpt om fra det misvisende navnet kvasistjerner til kvasarer.
Sorte hull er for store
I dag vet astronomene at det finnes supertunge svarte hull med størrelser på mellom to millioner og flere milliarder solmasser i hjertet av alle store galakser.
De største svarte hullene i dagens univers har ikke bare vokst ved å spise gass fra omgivelsene, men også ved galaksekollisjoner, der supertunge svarte hull galakser tiltrekker hverandre og til slutt smelter sammen.
Alle store galakser har et supertungt sort hul i midten ligesom vores galakse, Mælkevejen.
I 2000 oppdaget astronomer imidlertid en kvasar som eksisterte allerede 900 millioner år etter big bang. Og i 2012 observerte de en enorm kvasar med et svart hull på to milliarder solmasser som lyste opp bare 770 millioner år etter at universet ble til.
De to oppdagelsene stemmer ikke med den klassiske teorien om hvordan de første supertunge svarte hullene dannes, men forskerne mente at kvasarene måtte være unntakene som bekreftet regelen.
Men det tok bare noen år før de fant kvasaren med monsterhullet på 800 millioner solmasser bare 690 millioner år etter big bang, og da ble det klart at det var noe galt med teorien.
Første stjerner etterlater hull
I flere tiår har astronomene trodd at de såkalte såkornene som tidlige svarte giganter oppsto av, kom fra de første stjernene som begynte å lyse et par hundre millioner år etter big bang.
Stjernene var enorme sammenlignet med dagens stjerner, og da de hadde brukt opp alt drivstoffet i kjernen, eksploderte de som supernovaer og etterlot seg svarte hull på opptil 100 solmasser.
Ifølge den klassiske teorien vokste de disse svarte hullene – som var i såkalt stjernestørrelse – til supertunge svarte hull over milliarder av år ved å fortære gass.
Men modellen kan ikke forklare monsterhullet J1342+0928: Selv om et såkorn av stjernestørrelse hele tiden fôres med gass, vil hullet først nå 800 millioner solmasser en milliard år etter big bang.
Forskerne var derfor i første omgang tvunget til å skrive om teorien litt for å forsøke å få ting til å henge sammen.
Kjempestjerner ble født i klynger, og de svarte hullene de skapte, lå tett på hverandre. Derfor er det sannsynlig at noen av hullene tiltrakk hverandre og smeltet sammen til svarte hull på omkring tusen solmasser, som straks begynte å vokse ved å fortære gass.
Hull tar pause fra etegilde
Selv med forskernes ekstra store såkorn virker det likevel nesten umulig å bygge opp monsterhull som J1342+0928 før en milliard år etter big bang.
I prinsippet er det så vidt mulig å skape det gamle monsterhullet med den metoden, men bare hvis det svarte hullet hele tiden har fri adgang til så mye gass det kan få i seg – og det er urealistisk.
Når et svart hull spiser gass fra en roterende skive, sender de virvlende gassene rundt hullet ut massevis av stråling, som skyver gassene lenger vekk fra hullet, slik at det etter en stund ikke er adgang til mer gass.
Derfor stanser veksten til hullet gjennom perioder på flere millioner år, helt til hullets enorme masse igjen har trukket gass inn til begivenhetshorisonten, og veksten kan begynne igjen.
Alle disse lange matpauser gjør det umulig for det nyoppdagede supertunge svarte hullet å bygge opp 800 millioner solmasser på bare 690 millioner år med den metoden den klassiske teorien beskriver.
Derfor har de tre kvasarene nå sendt forskerne ut på jakt etter en helt ny forklaring på hvordan hullene har vokst seg så store.