Universets ældste sorte hul er alt for stort
13 mia. lysår væk har forskere fundet et supertungt sort hul, der har givet dem et forklaringsproblem: det er alt for stort til at være dannet på den måde, den klassiske teori forudsiger. Derfor må forskerne nu på jagt efter en ny, som kan forklare, hvordan hullet har vokset sig så stort så hurtigt.
13 milliarder lysår væk har astronomer fundet et sort hul som, som er meget større, end forskernes klassiske teori forudsiger det burde være.
Det gigantiske supertunge sorte hul J1342+0928 er det ældste og fjerneste objekt, astronomerne har set.
Det er omgivet af en roterende skive af gas, og med en glubende appetit hiver hullet konstant store, hvirvlende gasskyer ind bag begivenhedshorisonten, hvor tyngdekraften er så ekstrem, at end ikke lys kan undslippe.
Hullet er centrum i en såkaldt kvasar – hjertet i de mest aktive og lysstærke galakser i rummet.
De fleste kvasarer havde deres storhedstid knap fire milliarder år efter big bang, hvor deres sorte huller havde haft god tid til at vokse til monsterhuller.
Men J1342+0928 oplyste himlen allerede 690 millioner år efter big bang, og alligevel rummer den tidlige kvasar et monsterhul på 800 millioner solmasser, har forskerne beregnet.
Fundet af J1342+0928 i 2017 har skabt problemer for astrofysikerne
– for ifølge den klassiske teori om oprindelsen af universets første supertunge sorte huller burde hullet ikke kunne blive så enormt på så kort tid.
Roterende gas udsender stråling
Lyset fra kvasarer opstår, fordi gasskyer accelereres til så høje energier omkring det sorte hul i midten, at over en tredjedel af gassens masse omdannes til lys.
Samtidig skaber den roterende gasskive ekstremt kraftige magnetfelter, som sender to jetstrømme af elektrisk ladede partikler ud gennem den omgivende galakse med 99 procent af lysets hastighed.
I forening udstråler skiven og jetstrømmene mere lys end snesevis af almindelige galakser tilsammen.
Lyset er så kraftigt, at teleskoper kan opfange det, selvom lysbølgerne har rejst gennem universet i flere milliarder år på vej mod Jorden. Hvis en jetstrøm peger mod Jorden, vil kvasaren kunne ses som en projektør.
Den roterende gasskive omkring kvasarens sorte hul skaber meget kraftige magnetfelter, som sender to jetstrømme af elektrisk ladede partikler ud i universet.
Kvasarer er bevis for sorte huller
Det var opdagelsen af kvasarer, som endeligt beviste, at sorte huller ikke kun er et teoretisk fænomen, men faktisk eksisterer.
I begyndelsen af 1960’erne havde astronomer observeret flere mystiske kilder, der udsendte radiobølger.
De kaldte dem kvasistjerner, fordi radiobølgerne fra kilderne var anderledes end den stråling, der kommer fra almindelige stjerner.
I 1963 studerede den amerikanske astronom Maarten Schmidt en af kilderne med et radioteleskop i Californien, og han opdagede, at strålingen slet ikke kom fra en stjerne, men fra et fjernt, ukendt objekt, som udsendte kortbølget stråling.
Teleskopet så lange radiobølger i stedet for kortere lysbølger, fordi lyset fra objektet havde rejst gennem rummet i en milliard år og var blevet udstrakt til radiobølger undervejs på grund af universets udvidelse.
Den lyskilde, Schmidt observerede, overstrålede 100 galakser, men var alligevel ikke større end Solsystemet.
Der var kun én mulig forklaring på fænomenet: Det kosmiske fyrtårn måtte være skabt netop af sådanne hvirvlende brintgasser omkring et supertungt sort hul.
Objekterne blev efter Schmidts observation omdøbt fra det misvisende navn kvasistjerner til kvasarer.
Sorte huller er for store
I dag ved astronomerne, at der findes supertunge sorte huller med størrelser på mellem to millioner og flere milliarder solmasser i hjertet af alle store galakser.
De største sorte huller i nutidens univers er ikke kun vokset ved at æde gas fra omgivelserne, men også ved galaksesammenstød, hvor supertunge sorte huller i kolliderende galakser tiltrækker hinanden og smelter sammen.
Alle store galakser har et supertungt sort hul i midten ligesom vores galakse, Mælkevejen.
I 2000 opdagede astronomer dog en kvasar, der eksisterede allerede 900 millioner år efter big bang. Og i 2012 observerede de en enorm kvasar med et sort hul på to milliarder solmasser, der oplyste himlen kun 770 millioner år efter universets skabelse.
De to opdagelser stemmer ikke med den klassiske teori om dannelsen af de første supertunge sorte huller, men forskerne mente, at kvasarerne måtte være undtagelserne, der bekræftede reglen.
Få år senere fandt de imidlertid kvasaren med monsterhullet på 800 millioner solmasser bare 690 millioner år efter big bang, og de blev klar over, at deres teori ikke passer.
Første stjerner efterlader huller
I årtier har astronomerne troet, at de såkaldte sædekorn, som tidlige sorte giganter opstod af, kom fra de første stjerner, som blev tændt et par hundrede millioner år efter big bang.
Stjernerne var enorme i forhold til nutidens stjerner, og da de havde opbrugt alt brændstoffet i deres kerne, eksploderede de som supernovaer og efterlod sorte huller på op til 100 solmasser.
Ifølge den klassiske teori voksede de oprindelige små sorte huller – kaldet stjernestørrelse – til supertunge sorte huller over milliarder af år ved at fortære gas.
Men modellen kan ikke forklare monsterhullet J1342+0928: Selv hvis et sædekorn af stjernestørrelse konstant fodres med gas, vil hullet først kunne nå en størrelse omkring 800 millioner solmasser tidligst en milliard år efter big bang.
Forskerne var derfor i første omgang tvunget til at omskrive teorien lidt for at forsøge at få den til at passe.
Kæmpestjernerne blev født i klynger, og de sorte huller, de skabte, lå tæt på hinanden. Derfor er det sandsynligt, at nogle af hullerne tiltrak hinanden og smeltede sammen til sorte huller på omkring tusind solmasser, som straks begyndte at vokse ved at fortære gas.
Huller holder pauser fra ædegilde
Selv med forskernes ekstra store sædekorn virker det imidlertid stadig næsten umuligt at opbygge monsterhuller som J1342+0928 før en milliard år efter big bang.
I princippet kan det lige netop lade sig gøre at skabe det gamle monsterhul med den metode, men kun, hvis det sorte hul hele tiden har fri adgang til et tag selv-bord af gas – og det er urealistisk.
Når et sort hul æder gas fra en roterende skive, udsender de hvirvlende gasser omkring hullet masser af stråling, som skubber gasserne længere væk fra hullet, så der efter et stykke tid ikke er adgang til mere gas.
Derfor standser hullets vækst gennem perioder på flere millioner år, indtil hullets enorme masse igen har trukket gas ind til begivenhedshorisonten, og væksten kan begynde igen.
De mange, lange ædepauser gør det umuligt for det nyopdagede supertunge sorte hul at opbygge 800 millioner solmasser på blot 690 millioner år med den metode, den klassiske teori beskriver.
Derfor har de tre kvasarer nu sendt forskerne på jagt efter en helt ny forklaring på, hvordan hullerne har vokset sig så store.