Kvasarernes lysshow slår alle rekorder

I 2020 observerede rumteleskopet Hubble universets hidtil kraftigste eksplosion, da kvasaren med det knap så mundrette navn SDSS J135246.37+423923.5 tændte.

Rumteleskopets målinger afslører, at kvasarer er skyld i voldsomme kosmiske stormvejr, der kan vise sig at være nøglen til nogle af universets største gåder.

Fyrtårne beviste Einsteins teori

Den første kvasar blev opdaget i 1963 af den amerikanske astronom Maarten Schmidt. Opdagelsen beviste samtidig, at sorte huller ikke blot er en eksotisk forudsigelse i Einsteins relativitetsteori, men et reelt fænomen i virkelighedens univers.

Astronomerne havde i begyndelsen af 1960’erne fundet flere mystiske radiokilder, som de kaldte kvasistjerner, fordi radiobølgerne havde andre bølgelængder end radiostrålingen fra almindelige stjerner.

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

Da Maarten Schmidt undersøgte en af radiokilderne i et teleskop, opdagede han, at fænomenet ikke skyldtes en stjerne, men et fjernt og ukendt objekt, som udsendte kortbølget stråling og synligt lys fra energirige brintgasser.

Grunden til, at astronomerne havde observeret radiobølger i stedet for synligt lys, var, at lysbølgerne havde rejst gennem rummet i 2,4 mia. år og var blevet udstrakt til lange radiobølger pga. universets udvidelse.

Til trods for at selve lyskilden blot var på størrelse med Solsystemet, overstrålede den lyset fra 100 galakser. Ifølge Schmidt kunne det kun betyde en ting: Lyset måtte stamme fra glohede brintgasser, der hvirvlede rundt omkring et supertungt sort hul.

Siden har astronomerne observeret over en million kvasarer. De kosmiske fyrtårne bliver tændt i store galakser med masser af gas og heftig stjernedannelse.

Lystryk skaber gasorkanen

Eksplosionen af lys i kvasarens hjerte skaber et ekstremt lystryk, som skubber brintgasser i alle retninger.

Umiddelbart virker det underligt, at lyset fra en kvasar skaber så voldsomt et tryk, at det kan skubbe gasmængder svarende til flere hundrede gange Solens masse hele vejen ud gennem kvasarens værtsgalakse.

Men når lyset fra en tilstrækkelig stærk lyskilde bombarderer atomer, trykker lyspartiklerne på deres omgivelser. Det sker fx dybt inde i Solen, hvor lystrykket fra fusionsprocesserne i kernen modvirker, at tyngdekraften trækker stjernen sammen og får den til at kollapse.

Kvasaren lyser kraftigere end flere hundrede milliarder sole tilsammen, og derfor udløser det ekstreme lystryk en galaktisk orkan, der sender brintgasser på flugt i alle retninger ud af galaksen.

Hubble måler hastigheden

Ved orkanens front opvarmes de flygtende gasser til over én milliard grader celsius, hvilket får de glohede atomer til at udsende store mængder energirig røntgenstråling, der senere følges af synligt lys og infrarød varmestråling.

Hubble har observeret ti kvasarer, der befinder sig fire til ni milliarder lysår fra Jorden. På deres rejse gennem rummet bliver lysbølgerne strakt ud, fordi universet udvider sig.

Med andre ord er de ti kvasarers oprindelige røntgenstråling blevet strakt til længere bølgelængder og har derfor ændret sig til ultraviolet stråling, inden de når frem til os.

Ultraviolet lys bliver normalt blokeret af Jordens atmosfære, men da Hubble kredser udenfor, har den frit udsyn til at observere de galaktiske orkaner.

Spektrometeret Cosmic Origins Spectrograph bestemte strålingens bølgelængder præcist, hvilket gjorde det muligt at måle hastighederne af de flygtende brintgasser for første gang nogensinde.

Spektrometeret er så følsomt, at det kan registrere små forskelle i bølgelængderne fra gasser, der bevæger sig hen imod eller væk fra rumteleskopet.

Bølgelængden forlænges en smule, når en gassky bevæger sig væk fra Hubble, og den bliver lidt kortere, når gassen blæser hen imod teleskopet.

Ved at bestemme forskydningerne af bølgelængderne i de galaktiske orkaner har Hubble registreret tophastigheder på mellem 4900 og 21.050 kilometer i sekundet. Hurtigst var gasorkanen fra kvasaren SDSS J1042+1646.4, der befinder sig i stjernebilledet Løven.

Resultaterne fra Hubble var dårligt nok blevet offentliggjort, før Gemini North-teleskopet på Hawaii målte en galaktisk orkan med en svimlende fart på hele 39.000 kilometer i sekundet – svarende til 13 procent af lysets hastighed.

Orkanen blæser fra kvasaren SDSS J135246.37+423923.5, hvor et gigantisk, supertungt sort hul med 8,6 milliarder solmasser driver den vilde kosmiske eksplosion. Til sammenligning rummer det supertunge sorte hul i Mælkevejen kun 4,1 millioner solmasser.

Kvasar tændte uhørt tidligt

Indtil for et par år siden mente forskerne, at de supertunge sorte huller i galaksernes hjerter først blev store nok til at tænde kvasarer mindst en milliard år efter big bang.

Men i 2018 fandt astronomerne kvasaren ULAS J1342+0928, der blev tændt af et supertungt sort hul på 800 millioner solmasser og oplyste himlen blot 690 millioner år efter universets skabelse.

Opdagelsen af kvasaren i det spæde univers har givet astronomerne grå hår i hovedet.

Den mest udbredte model for dannelsen af de første supertunge sorte huller kan ikke forklare, hvordan så enormt et hul kunne opstå i det tidlige univers.

Ifølge den klassiske teori eksploderede universets første generation af kæmpestjerner som supernovaer og efterlod sorte huller med op til 100 solmasser. De stødte herefter sammen og blev sædekorn for de første supertunge sorte huller i galakserne.

Med så små sædekorn kan monsterhuller som J1342+0928 ifølge teorien først opstå tidligst en milliard år efter big bang. Sorte huller vokser simpelthen ikke hurtigt nok, selvom de har konstant adgang til al den gas, de kan sluge.

For at forklare fænomenet har astronomerne måttet udvikle en række nye teorier. Ifølge den førende model kollapsede enorme gasskyer direkte til sorte huller med en masse på flere millioner sole allerede omkring 270 millioner år efter universets skabelse.

Med så store og grådige sædekorn kunne de tidligste kvasarer sagtens vokse sig store og tænde, inden universet blev 700 millioner år gammelt. Teorien lyder besnærende, selvom den endnu ikke er bevist.

Kvasarernes storhedstid

Kvasarerne havde deres storhedstid for 10-12 milliarder år siden. På det tidspunkt fandtes et væld af store galakser med tætte gasskyer, som fodrede de supertunge sorte huller i galaksernes kerner med gas, mens gasskyerne længere ude i galaksen kondenserede og fødte nye stjerner på samlebånd.

Herefter slukkede de fleste kvasarer, hvilket hænger nøje sammen med lystrykket og de galaktiske orkaner.

Ifølge astronomerne skubber lystrykket fra en kvasar i løbet af millioner af år gas væk fra skiven omkring det supertunge sorte hul.

På den måde har kvasaren en indbygget bremse, som slukker for fyrtårnet, når det supertunge sorte hul løber tør for gas. I nogle tilfælde kan kvasaren dog tænde igen efter nogle millioner år, hvis det lykkes det supertunge sorte hul at tiltrække tilstrækkelige mængder gas til at starte et nyt lysshow.

Observationerne fra Hubble og Gemini beviser nu for første gang, at orkanen af brintgasser blæser hele vejen ud til de fjerneste afkroge af galaksen og undervejs lægger en kraftig dæmper på stjernedannelsen – og dermed løser to af de største gåder om galaksernes udvikling.

Færre stjerner bliver dannet

Forskerne har længe undret sig over, hvorfor stjernedannelsen i universet bremsede op efter kvasarernes storhedstid og siden er faldet jævnt.

Men Hubbles og Geminis målinger viser nu, at det i vidt omfang skyldes kvasarernes gasorkaner, som spreder et enormt antal tætte klumper af brintgasser, der ellers ville have født nye stjerner i alle hjørner af værtsgalakserne.

Fænomenet forstærkes af, at de to jetstrømme af ladede partikler, som skyder ud i rummet vinkelret på kvasarens lysende skive, effektivt bremser stjernedannelsen.

Jetstrømmene opstår i det voldsomme magnetfelt omkring det sorte hul og spreder store mængder gas over enorme områder, så den bliver alt for tynd til at danne stjerner.

Omkring 40 pct. af universets synlige masse er ekstremt tynde brintgasser i det næsten tomme rum mellem galakserne.

Opdagelsen af kvasarernes galaktiske orkaner har også givet svaret på en anden gåde: Hvorfor universet indeholder relativt få gigantiske galakser.

Kvasarernes evne til at sprede tætte gasskyer og skyde store mængder brintgas ud i det intergalaktiske rum sætter en grænse for, hvor meget galakserne kan vokse ved ny stjernedannelse, før en mangel på byggemateriale opstår.

Derfor er galakserne gennem de seneste milliarder år primært vokset ved galaksesammenstød, hvor alle stjernerne forenes i en ny og større galakse.

Da en kollision mellem to store galakser kan tænde en kvasar, har galaksesammenstød spillet en central rolle for kvasarernes udvikling.

Kollision tænder ny kvasar

Når to store galakser brager sammen, forenes deres supertunge sorte huller med tiden. Det nye gigantiske sorte hul tiltrækker masser af gas fra begge galakser, som tænder kvasaren.

Sammenstød mellem galakser var hyppige i kvasarernes storhedstid for 10-12 milliarder år siden, hvor universet kun var en tredjedel af sin nuværende størrelse. Galakserne var derfor tættere på hinanden og kom lettere på kollisionskurs.

Galaksesammenstød skaber dog stadig nye kvasarer, og i nogle tilfælde tænder den nye kæmpegalakse hele to kvasarer på samme tid.

Det sker især, når de supertunge sorte huller i de kolliderende galakser er nogenlunde lige store. I givet fald kan begge huller nå at suge så meget gas til sig, inden de forenes, at hullerne tænder hver sin kvasar.

I 2018 fandt NASA’s røntgenteleskop Chandra flere sådanne dobbeltkvasarer. Samtidig bekræftede teleskopet, at kollisioner mellem en stor og en mindre galakse typisk kun medfører én kvasar, da de supertunge sorte huller hurtigere smelter sammen.

I Mælkevejen kredser 200-400 milliarder stjerner om et supertungt sort hul på 4,1 millioner solmasser. Galaksen er på kollisionskurs med den større nabo Andromeda, som rummer et supertungt sort hul på 60 millioner solmasser og omkring en billion stjerner.

De to galakser ventes at brage sammen om 4,5 millioner år, hvilket vil føre til dannelsen af en stor, elliptisk galakse – og tænde en ny kvasar i vores nabolag.