Den första miljarden år av den kosmiska historien utgör en utmaning för astronomer: De tidigaste kända svarta hålen i de centrala delarna av galaxer har överraskande stora massor. Hur blev de så massiva så snabbt? Stjärnor och galaxer har förändrats enormt under de senaste 13,8 miljarder åren, universums livstid. Galaxer har blivit större och fått mer massa, genom att dra åt sig omgivande gas och genom att slå sig samman med andra galaxer. Under lång tid antog astronomer att de supermassiva svarta hålen i galaxernas centra skulle ha vuxit i samma takt som galaxerna själva.

Konstnärlig tolkning av en tidig kvasar. Bild: T. Müller/MPIA.

Men tillväxten av svarta hål kan inte heller vara godtyckligt snabb. Materia som faller mot ett svart hål bildar en virvlande, het, ljusstark "ackretionsskiva". När detta sker runt ett supermassivt svart hål, resulterar det i en aktiv galaxkärna. De ljusstarkaste sådana objekten, kända som kvasarer, är bland de ljusstarkaste objekten i hela universum. Men den ljusstyrkan begränsar också hur mycket materia som kan falla på det svarta hålet: Ljus utövar nämligen ett tryck på omgivande gas, vilket kan förhindra att ytterligare materia faller in.
Därför blev astronomer förvånade när observationer av avlägsna kvasarer under de senaste tjugo åren avslöjade väldigt avlägsna svarta hål som trots sin ungdom hade nått massor på upp till 10 miljarder solmassor. Ljus tar tid att resa från ett avlägset objekt till oss, så att titta på avlägsna objekt innebär att titta tillbaka i tiden.

Att förklara dessa tidiga, massiva svarta hål är en stor utmaning för nuvarande modeller av galaxutveckling. Kan det vara så att tidiga svarta hål var mycket mer effektiva på att svälja gas än sina nutida motsvarigheter? Eller kan närvaron av stoftpartiklar göra att de tidiga svarta hålens massor har överskattats? Det finns flera föreslagna förklaringar, men ingen som är allmänt accepterad.

Att avgöra vilka – om några – av förklaringarna som är korrekta kräver en mer komplett bild av kvasarer än vad som tidigare varit tillgängligt. Med tillkomsten av rymdteleskopet JWST (James Webb Space Telescope), och specifikt teleskopets instrument MIRI (Mid Infra Red Instrument) som kan observera ljus med våglängder på över 5 mikrometer, tog astronomernas förmåga att studera avlägsna kvasarer ett enormt språng: MIRI är 4000 gånger känsligare än något tidigare instrument som kunnat observera dessa våglängder.

Instrument för JWST som MIRI byggs av internationella konsortier, med forskare, ingenjörer och tekniker som arbetar nära tillsammans. Naturligtvis är ett konsortium mycket intresserat av att testa om deras instrument presterar så bra som planerat. I utbyte mot att bygga instrument får konsortier vanligtvis en viss mängd observationstid. År 2019, år innan JWST skjöts upp, beslutade det europeiska MIRI konsortiet att använda en del av denna tid för att observera vad som då var den mest avlägsna kända kvasaren, ett objekt som går under beteckningen J1120+0641.

Observationerna genomfördes i januari 2023, och ansvaret för analysen av observationerna föll på Dr. Sarah Bosman, postdoktoral forskare vid Max Planck-institutet för astronomi (MPIA) i Heidelberg, och medlem av det europeiska MIRI konsortiet. Observationerna utgör den första infraröda studien av en kvasar under den första årmiljarden i universums historia (på en rödförskjutning av z=7). Informationen kommer inte från en bild, utan från ett spektrum: den regnbågsliknande uppdelningen av objektets ljus i olika våglängder.

Den övergripande formen av det infraröda spektret ("kontinuum") visar egenskaperna hos en stor torus (ring) av damm som omger ackretionsskivan i typiska kvasarer. Denna torus leder materia till ackretionsskivan och "matar" på så sätt det svarta hålet så att det kan växa. Torusen i denna kvasar verkar likna den hos mer närbelägna kvasarer. Den enda skillnaden är en som ingen modell av snabb tidig kvasartillväxt förutsåg: en något högre stofttemperatur, omkring hundra Kelvin varmare än de 1300 K som råder i mindre avlägsna kvasarer. Genom att mäta hur breda (ett mått på hastigheten) spektrallinjerna från de gasmoln som kretsar kring det svarat hålet är, kan dess massa bestämmas till 1.5 miljarder gånger solens massa, och bekräftar tidigare uppskattningar från observationer vid kortare våglängder. Nästan alla de egenskaper som kan härledas från spektrumet visar att J1120+0641 inte är annorlunda än kvasarer vid senare kosmiska tider.

Studien visar att tidiga kvasarer verkar bete sig precis som mer nutida sådana. ”Oavsett vid vilka våglängder och kosmiska tider vi observerar dem, är kvasarer snudd på identiska" säger Bosman. Inte bara de supermassiva svarta hålen själva, utan också de mekanismer med vilka de matas verkar fungera likadant oavsett vid vilken kosmisk tid vi observerar dem. Resultaten stöder idén att supermassiva svarta hål hade avsevärda massor från början, i astronomisk terminologi: att de är "ursprungliga" eller "från början stora." Dessa supermassiva svarta hål kan inte ha bildats från resterna av tidiga stjärnor som sedan växte sedan snabbt. De måste ha istället ha bildats tidigt med ursprungliga massor på minst hundratusen solmassor, möjligen genom kollaps av massiva tidiga gasklumpar.

MIRI instrumentet har konstruerats av ett europeisk-amerikanskt konsortium. Den europeiska delen utgörs av forskningsinstitut från 10 europeiska länder däribland Sverige där Göran Östlin (SU) är ansvarig. Det svenska bidraget har möjliggjorts genom stöd från Rymdstyrelsen och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. Från SU är, förutom Göran, Arjan Bik från SU medförfattare till artikeln som publicerats i Nature Astronomy: Bosman et al., "JWST rest-frame infrared spectroscopy reveals a mature quasar at cosmic dawn"