Et kolossalt sort hul bremser pludseligt op
Dybt inde i universet ser det ud til, at et gigantisk sort hul pludselig har trykket på bremsen — til stor forundring for astronomer verden over.
En ekstremt lysende quasar, der befinder sig ti milliarder lysår fra Jorden, er næsten slukket i løbet af blot et par årtier. Den overraskende hurtige tilbagegang tvinger forskere til grundlæggende at gentænke deres forestillinger om superstore sorte huller og galaksernes udvikling.
Kosmiske fyrtårne der burde lyse i millioner af år
Quasarer har i årtier været betragtet som det unge univers' kraftigste lyskilder. De er enormt energirige kerner i fjerne galakser, drevet af superstore sorte huller der suger store mængder gas til sig. Så længe gassen strømmer ind, lyser området omkring det sorte hul stærkere end alle stjerner i galaksen tilsammen.
Astronomer antog længe, at en sådan aktiv fase forandrer sig meget langsomt — over hundredtusinder til millioner af år. De nye observationer af quasaren J0218−0036 tegner et helt andet billede: her ser det ud til, at den kosmiske motor er næsten gået i stå på under to år, målt i galaksens egen tid.
For første gang følger forskere trin for trin, hvordan et superstort sort hul næsten lukker for sin egen "brændstofhane".
Sådan blev en kosmisk kæmpe afsløret
Forskerholdet under ledelse af Tomoki Morokuma fra Chiba Institute of Technology i Japan kombinerede ældre data fra Sloan Digital Sky Survey med nyere billeder fra Hyper Suprime-Cam på Hawaii. De sammenlignede lysstyrken hos titusinder af quasarer over en periode på adskillige årtier.
- 31.549 quasarer blev spektroskopisk identificeret i det overlappende himmelområde.
- 57 af dem viste en bemærkelsesværdig svækkelse.
- Kun ét objekt skilte sig ekstremt ud: J0218−0036.
På de ældste billeder fremstod J0218−0036 som et kompakt, lyseblåt punkt — et lærebogeksempel på en aktiv quasar. På de nyeste optagelser er objektet kraftigt aftaget i lysstyrke. Den synlige lysstyrke faldt i visse farvebånd med mere end tre størrelsesklasser, et enormt fald i lyseffekt.
Fordi quasaren befinder sig så langt væk, har det lys vi måler nu, rejst i ti milliarder år. Vi kigger altså tilbage til en tid, hvor universet endnu ikke var halvt så gammelt som i dag. Det gør dette sorte huls adfærd særligt interessant, fordi det fortæller noget om, hvordan unge galakser tænder og slukker for deres energimotor.
Optisk og infrarødt: hele systemet trækker sig tilbage
Et fald i synlig lysstyrke kan være vildledende. Støvskyer kan midlertidigt blokere udsynet, eller en målingskampagne kan tilfældigvis fange en rolig fase. Derfor indsamlede forskerne data fra flere dele af spektret — fra synligt lys til melleminfrarødt — og koblede dem til detaljerede spektre fra store teleskoper som Keck.
Lyskurverne viser et gradvist men konstant fald over cirka tyve år i alle målte bølgelængder. Observationer med infrarødteleskoperne Spitzer og WISE bekræfter ligeledes en tydelig svækkelse.
Det infrarøde signal er afgørende. I det område lyser det varme støv op, som absorberer strålingen fra området tæt på det sorte hul og udsender den igen. Når også det signal svækkes, er energikilden selv ved at skrue ned — ikke blot vores synslinje mod den.
Spektrene bekræfter dette billede. De karakteristiske emissionslinjer fra gas, der opvarmes tæt ved det sorte hul, er stadig til stede men langt svagere end ved tidligere målinger. Quasaren er altså ikke slukket i ét hug som en lampe, men har langsomt glidet over i en meget roligere tilstand med tydelige spor af sin tidligere aktivitet.
Støvgardin eller reel sult?
Når en quasar svækkes så dramatisk, er der overordnet to mulige forklaringer:
- Det sorte hul modtager mindre gas at "fordøje" — altså reduceret akkretionshastighed.
- En ny sky af støv og gas skubber sig foran kernen og dæmper lyset mod Jorden.
For at udelukke, at et slags kosmisk "rullegardin" havde lagt sig foran kernen, rekonstruerede holdet den samlede udsendte energi fra J0218−0036 på seks forskellige tidspunkter. De adskilte bidraget fra quasaren og fra den omgivende galakse, som formodentlig ændrede sig lidt i denne periode.
Dernæst anvendte de to modeller: én hvor kilden selv reelt bliver svagere, og én hvor ekstra støv skaber ekstra formørkelse. Statistisk set vandt scenariet med en iboende svækkelse med stor margin. Sandsynligheden for, at variabelt støv alene kan forklare det hele, viste sig at være forsvindende lille.
Faldet i lyseffekt svarer til et kollapsende tilbud af materie til det sorte hul — ikke et trick med kosmisk støv.
Et vigtigt tal her er det såkaldte Eddington-forhold, et mål for hvor hårdt et sort hul "arbejder". For J0218−0036 faldt dette fra cirka 0,4 til 0,008. Sagt med andre ord: quasaren kører nu på en brøkdel af sin tidligere kapacitet.
Hvad dette fortæller om superstore sorte hullers livsforløb
Superstore sorte huller i galaksekerner betragtes normalt som systemer der ændrer sig langsomt. De vokser ved over lang tid at sluge gas fra deres omgivelser. Den stråling der frigives i processen, opvarmer og spreder gas i galaksen, hvilket kan bremse dannelsen af nye stjerner — en proces kaldet feedback.
Observationerne af J0218−0036 viser, at denne feedback i visse tilfælde forløber langt mere uregelmæssigt, end teoretiske modeller antyder. Det fald vi ser over godt tyve år, svarer i quasarens egen tid til under to år. Eksisterende teorier, der regner med langsomt reagerende materiediske omkring sorte huller, har svært ved at forklare en så kort tidsskala.
Fordi kernen nu er svagere, kommer den omgivende galakse bedre til syne. Ud fra modellering af stjernelyset fremgår en stjernemasse på cirka 1,4 billioner gange Solens masse. Det er en tung, moden galakse for den tidlige kosmiske epoke.
Alligevel ser stjernedannelsen her ud til at være bemærkelsesværdigt lav. Galaksen fremstår ikke som en frodig "stjernefabrik", men snarere som en relativt rolig kæmpe. Det betyder, at quasaraktivitetens ophør ikke nødvendigvis falder sammen med en spektakulær, kaotisk periode i selve galaksen.
Konsekvenser for vores forståelse af galakser og deres kerner
Hvis flere quasarer opfører sig som J0218−0036, ændrer det standardbilledet, hvor et superstort sort hul kører i én tilstand i lang tid. Det minder mere om en motor der jævnligt accelererer og bremser ned — somme tider på tidsskalaer der er korte nok til, at mennesker kan følge med.
Det har direkte betydning for spørgsmål som:
- Hvor ofte er kernen i en galakse reelt "tændt" eller "slukket".
- På hvilke tidspunkter bremser quasaren hårdest for dannelsen af nye stjerner.
- Hvor pålidelige øjebliksbilleder af fjerne quasarer er som mål for deres gennemsnitlige adfærd.
For kosmologer er dette vigtigt ved tolkningen af store himmelundersøgelser. Hvis mange kerner veksler mellem korte, intense udbrud og længere, stille faser, holder simple antagelser om gennemsnitlig lysstyrke og levetid ikke længere.
Hvad du bør vide om sorte huller og quasarer
Udtrykket "superstort sort hul" fremmaner hurtigt billedet af en slags kosmisk støvsuger. I virkeligheden opfører et sådant objekt sig primært som en ekstremt kompakt kerne, hvor tyngdekraften dominerer alt. Det spektakulære lys kommer ikke fra selve det sorte hul, men fra den gas der gnider sig mod kanten og udvikler enorm varme.
En quasar er altså ikke et særskilt objekt, men en fase i en galakses liv — en periode hvor den centrale kæmpe aktivt fortærer gas og dermed oplyser sine omgivelser. Mange store galakser, herunder formentlig vores egen Mælkeevej, har sandsynligvis gennemgået en sådan fase.
Forskning som denne hjælper med at skærpe modellerne for galaktisk evolution. Computersimulationer af universet må for eksempel antage, hvornår og hvor ofte sorte huller opvarmer deres omgivelser. Hvis motoren nogle gange stopper uventet hurtigt, må disse simuleringer tage højde for kortere og mere varierende "aktive perioder".
For fremtidige teleskoper som Extremely Large Telescope i Chile ligger der her konkrete muligheder. Ved systematisk at søge efter lignende hurtigt aftagende quasarer kan forskerne teste, om J0218−0036 er en undtagelse eller snarere forløberen for en ny klasse kosmiske "flimrende lys". Det vil igen afgøre, hvordan vi fortolker væksten af strukturer i det unge univers.
