De supermassiva svarta hålens gåta

De är stora, de dyker upp tidigt i universums historia och var de kommer ifrån är fortfarande en gåta.

– Som astronom vill jag förstå i detalj hur supermassiva svarta hål bildas, säger Erik Zackrisson.

Han är lektor på institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet. Tillsammans med kollegor har Erik Zackrisson utvecklat nya modeller för hur supermassiva svarta hål kan upp­stå i universums gryning. De kommande åren hoppas han kunna testa dessa modeller med hjälp av James Webb-teleskopet.

– Det är forskning baserad på ren nyfikenhet kring hur de här bjässarna som vi ser i universum i dag blev till i tidens ursprung, säger Erik Zackrisson.

Ett svart hål är en plats i universum där gravitationen är så stark att inte ens ljus kan färdas där­ifrån. Det första tecknet på att sådana svarta hål kan vara enorma dök upp år 1963. Då kunde astronomer visa att objektet 3C 273, som de först trodde var en stjärna i Vintergatan, egentligen låg långt bort i universum.

3C 273 lyser lika starkt som flera biljoner solar, men ligger 2,5 miljarder ljusår bort. Små variationer i dess strålning indikerade att dess enorma energi skapades på en liten volym, omkring det genomsnittliga avståndet mellan Pluto och solen. Detta slags objekt fick namnet kvasar (quasar på engelska, vilket är en förkortning för quasi-stellar).

Flera forskare föreslog att energin som 3C 273 och andra kvasarer frigjorde kom från materia som faller in i och virvlar runt gigantiska svart hål. Betoningen ligger onekligen på gigantiska. 3C 273 har en massa motsvarande 886 miljoner solar, och i dag har astronomer observerat svarta hål med en massa som är avsevärt större än så.

Den 19 februari 2024 rapporterade astronomer att kvasaren J0529-4351 var det ljusstarkaste objektet som de har observerat i hela universum. Det lyser starkare än 500 biljoner solar, har en massa motsvarande 17 miljarder solar och slukar motsvarande en hel sols massa varje dag.

Dessa två exempel visar varifrån epitetet ”super­­­massiva” kommer. Att supermassiva svarta hål ligger bakom universums allra mest intensiva ljus är onekligen en kosmisk ironi, eftersom själva det svarta hålet är helt mörkt.

Alla supermassiva svarta hål är dock inte kvasarer. I vår egen galax finns ett avsevärt lugnare supermassivt svart hål, liksom i flera andra när­belägna galaxer. Dessa supermassiva svarta hål tycks vara nära sammanbundna med utvecklingen av galaxen de befinner sig i. Den naturliga frågan är därför: Hur uppstod de en gång i tiden?

Ett svart hål kan bli till då en stjärna får slut på sitt inre fusionsförråd och dör. Har stjärnan tillräckligt stor massa kollapsar den till ett svart hål. När sådana svarta hål bildas i dag har de en massa som motsvarar drygt tre till flera tiotals solar. Det är dock bara en bråkdel av massan hos de supermassiva svarta hålen som astronomerna ser existera i dag och tidigare i universums historia.

– Mysteriet med supermassiva svarta hål är att de dyker upp så stora så tidigt, säger Erik Zackrisson.

I universums gryning kunde svarta hål växa genom att äta en buffé som framför allt bestod av kosmiska gasmoln. När astronomerna räknar ut takten på denna tillväxt får de svårt att förklara hur svarta hål kan växa sig till en gigantisk storlek.

– Vi har sett svarta hål med en väldigt stor massa som kan vara en miljard gånger så stor som solens, då universum är strax över 500 miljoner år gammalt, säger Matthew Hayes.

Han är lektor i astrofysik vid Stockholms universi­tet och medlem i Oskar Klein Centre, som är ett samarbete mellan Stockholms universitet och Kungliga tekniska högskolan. Han har länge studerat hur gas, stjärnor och galaxer interagerar.

När gas faller in mot ett svart hål kan den börja lysa då den kraschar in i och virvlar runt annan gas. Gasens strålning skapar ett tryck som hindrar ytter­­ligare gas från att falla in i det svarta hålet. Ett svart hål reglerar därför sitt eget födointag.

– Det är svårt att förstå hur svarta hål kan växa så mycket på 500 miljoner år. De måste antingen ha bildats med en stor massa, eller växa väldigt snabbt. Båda alternativen är svåra att få till, så det är någonting vi inte förstår, säger Matthew Hayes.

Erik Zackrisson håller med:

– Det är svårt att börja med ett litet svart hål och plöja in tillräckligt mycket gas i det så att det växer till sig till ett supermassivt svart hål.

Vad astronomer måste förklara är således dels vad det var i universums ursprung som implo­derade till ett svart hål, dels hur dessa svarta hål klarade av att växa sig stora så snabbt. Tack vare James Webb-teleskopet kan det bli möjligt att besvara dessa frågor.

Den 25 december 2021 sköts Webbteleskopet upp från den europeiska rymdbasen i Franska Guyana. Teleskopet är placerat 1,5 miljoner kilo­meter från jorden. Där observerar teleskopet rymdens infraröda strålning med hjälp av sin 6,5 meter stora spegel.

– Teleskopet har verkligen förändrat forsk­nings­fältet, säger Matthew Hayes. Det första året kom det en lavin av ny forskning. Jag studerade inte ens svarta hål när Webbteleskopet sköts upp. Jag är intresserad av hur stjärnor bildas, och efter alla nya resultat ser jag att det finns en intressant koppling till svarta hål.

Med hjälp av Webbteleskopet har astronomerna lyckats se ända tillbaka till den tid då universum var mindre än 300 miljoner år gammalt. Teleskopet visade att det fanns långt fler galaxer och svarta hål än vad många astronomer hade förväntat sig.

– Man hittar ständigt supermassiva svarta hål på större avstånd och längre tillbaka i tiden, tillägger Erik Zackrisson.

Till exempel kunde Webbteleskopet identifiera det äldsta kända svarta hålet. Det ligger i galaxen GN-z11, vars ljus skickades iväg 400 miljoner år efter big bang. Galaxen upptäcktes redan 2015 med hjälp av Hubbleteleskopet. I januari år 2024 berättade en grupp astronomer att de med hjälp av Webbteleskopet hade slagit fast att galaxen innehåller ett supermassivt svart hål. Dess massa motsvarade omkring 1,6 miljoner solar.

För att förklara hur supermassiva svarta hål kan ha bildats så tidigt har forskare föreslagit andra skapelsesätt än då stjärnor dör. En möjlighet är att stora gasansamlingar av framför allt väte kollapsade till ett svart hål någon gång i universums gryning.

Dessa svarta hål skulle ha en större massa från början, och därför tjuvstarta sin tillväxt. De kallas för direktkollapsande svarta hål.

Hösten 2023 rapporterade astronomer från bland annat Harvard och Yale university att de förmodligen hade sett ett sådant direkt­kollapsande svart hål med hjälp av Webbteleskopet och röntgen­teleskopet Chandra X-ray Observatory. Objektet kallas UHZ-1.

Erik Zackrisson var medförfattare till en artikel som förutspådde att Webbteleskopet skulle kunna se sådana svarta hål.

– UHZ-1 är ett superspännande objekt, säger Erik Zackrisson. Det ger stöd för idén om att svarta hål med stora massor bildades genom någon sorts extrem process tidigt i universums historia. Men jag tror det är för tidigt att slå fast exakt hur det svarta hålet i UHZ-1 bildades, eftersom det finns flera möjligheter.

Även om det visar sig att svarta hål kan skapas från en direkt­kollapsande gas räcker det inte för att förklara de supermassiva svarta hål vi ser i dag, menar Matthew Hayes:

– Fördelen med direktkollaps är att de leder till svarta hål med stor massa. Nackdelen är att det inte går att skapa så många av dem.

Erik Zackrisson är övertygad om att den process vi ser i dag, då vanliga stjärnor kollapsar till svarta hål, inte är tillräcklig:

– Det är svårt att få till det med någonting annat än direktkollaps, säger han.

Innan de stora gasmolnen i universums gryning kollapsar till svarta hål, kan de genomgå ett kortare stadium som supermassiva stjärnor.

– Om du tänker dig att solen är lika stor som ett mynt skulle dessa stjärnor vara ungefär lika stora som Globen, säger Erik Zackrisson.

Dessa urtidsstjärnor kan bli så stora eftersom gasmolnen som de bildas ur endast består av väte, helium och små mängder litium. Dessa ämnen gör att gasmolnen inte förlorar energi lika lätt. I stället för att fragmenteras i flera vanliga stjärnor, blir ett stort gasmoln i stället en enda gigantisk stjärna.

– Sådana gigantiska stjärnor kan ha funnits i universums barn­dom, tillägger Matthew Hayes, men senare finns inte förhållandena som gör att dessa stjärnor kan bildas.

Med hjälp av Webbteleskopet hoppas Erik Zackrisson och Matthew Hayes att det ska gå att se hur sådana supermassiva stjärnor bildar svarta hål.

– Det vi vill göra är att se det här objektet precis efter att det har bildats, då det har blivit ett svart hål, säger Zackrisson. Vår grupp i Uppsala har letat efter de objekten, men tyvärr är det svårt. Än så länge har vi inga trovärdiga kandidater.

Tillsammans med sina kollegor från Stockholms universitet vill Matthew Hayes använda Webbteleskopet för att kartlägga hur många svarta hål som fanns i universums tidiga historia.

För att ta reda på det måste han kunna mäta hur många galaxer det finns som innehåller ett supermassivt svart hål. Matthew Hayes och hans kollegor letar efter små variationer i ljusstyrkan från aktiva galaxkärnor. Variationerna kan uppstå då olika mycket massa faller in i svarta hål. Det var med denna teknik som de första svarta hålen observerades på 1960-talet, såsom 3C 273.

– Svarta hål uppvisar en variabilitet som i genom­­snitt sker på en tidsskala av endast månader, och för speciella svarta hål till och med minu­ter, säger Matthew Hayes.

Tillsammans med sina kollegor har han använt Webbteleskopets föregångare, Hubbleteleskopet, för att kartlägga sådana variationer. De hittade då flera svarta hål när universum var nästan en miljard år gammalt.

– Förekomsten av svarta hål under den första delen av kosmos historia var mycket högre än vad som tidigare var känt, förklarar Matthew Hayes. Vi har visat att den här typen av studier är möjliga med Hubbleteleskopet, men Webbteleskopet kommer att se mycket längre tillbaka i universums historia.

Tack vare Webbteleskopet kommer det att bli möjligt att i detalj kartlägga hur många svarta hål som finns i universums gryning, hur mycket massa de har och förhoppningsvis även se spåren av super­massiva stjärnor som blir till svarta hål.

– Det här är ett hett fält inom astronomin som får mycket observationstid, säger Erik Zackrisson.

– Min känsla är att det går att lösa gåtan med de supermassiva svarta hålen med Webbteleskopet, men det är svårt att säga när. Teleskopet har en lång möjlig livstid, så jag är optimistisk.

Astronomerna debatterar just nu intensivt vilka möjliga modeller om de supermassiva svarta hålens ursprung som stämmer – och hur Webbteleskopet ska fälla ett avgörande.

– Det roligaste skulle vara om alla har fel, avslutar Erik Zackrisson.

Komplettering 2024 09 18: I september kunde Matthew Hayes rapportera i Astrophysical Journal Letters om upptäckten av fler svarta hål i det tidiga universum än vad som tidigare har iakttagits.

Korrigering 2024 09 05. Ljusstyrkan på kvasarerna 3C 273 och J0529-4351 angavs tidigare felaktigt.