Sorte huller hjalp med at kvæle stjernedannelse i det tidlige Univers

Omtrent en gang om året bliver en ny stjerne født i vores galakse, Mælkevejen.

Nogle galakser danner stjerner hurtigere, og i det tidlige Univers dannede de mest ihærdige galakser hundreder eller endda tusinder af stjerner om året. Men visse galakser bliver på en eller anden måde drevet til den anden ekstrem og holder helt op med at danne nye stjerner. Langsomt brænder deres bestand af stjerner ud og efterlader kun de små, rødlige stjerner.

Særligt i det tidlige Univers er årsagen til denne “kvælning” ikke velforstået, selvom vi ved, at det må have at gøre med, at brændstoffet til stjerner — kold gas — er brugt op. Men om gassen blæses ud af galaksen, opvarmes til for høje temperaturer, eller noget helt tredje, er usikkert.

Et andet spørgsmål er, hvorfor galakserne forbliver “stjerne-inaktive”: I det tidlige Univers var det intergalaktiske rum fyldt med gas, som efterhånden burde blive tiltrukket af galaksernes tyngdekraft og genoplive stjernedannelsen.

Sorte huller lyser op ved at sluge gas

Én mulighed er, at en inaktiv galakse indeholder et supertungt sort hul i dets centrum, som sluger nærliggende stof og udstråler overskydende energi. Denne type “aktive galaksekerne” ville være en lidt mådeholden version af de mere energirige kvasarer. Alligevel vil den udstrålede energi stadig være kraftig nok til at opvarme resten af galaksens gas, hvilket så vil hindre ny stjernedannelse.

Hvis dette scenarie er sandt, burde de inaktive galakser gløde svagt i både røntgen- og radiobølger.

Derfor besluttede et internationalt hold af astronomer, ledet af postdoc Kei Ito ved SOKENDAI-universitetet i Japan, at teste hypotesen ved at gennemgå et katalog over galakser observeret i et bestemt område på himlen, kaldet “COSMOS-feltet”.

Ito og hans samarbejdspartnere stod imdlertid over for et grundliggende problem i denne tilgang:

Fordi det tager lyset en vis tid at nå ned til os, er dét at udforske tidlige galakser det samme som at observere fjerne galakser, milliarder af lysår væk. Men fjerne galakser er lyssvage, og derfor vil signalet, hvis det overhovedet er der, ikke være til at se i nogen af de individuelle galakser i COSMOS-kataloget.

En stak galakser

For at overkomme denne hindring bestemte holdet sig for at “stacke” billederne af galakserne — det vil sige at lægge lyset sammen fra alle galakserne, og dermed se på det samlede signal fra alle galakser på samme tid.

“Selvom vi mister informationen om den enkelte galakses tilstand, kan vi nu se deres »gennemsnitlige« egenskaber. Og resultatet er klart: En typisk stjerne-inaktiv galakse for 10–12 milliarder år siden var vært for en aktiv galaksekerne med lav lysstyrke, som kan have spillet en afgørende rolle i at forhindre fornyet stjernedannelse,” forklarer John Weaver, Ph.D.-studerende ved Cosmic Dawn Center, som er et forskningscenter under Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, og DTU Space.

John Weaver var en af flere forskere fra Cosmic Dawn Center som deltog i undersøgelsen. Han ledede for nylig indsatsen med at katalogisere og analysere de 1,7 millioner galakser i COSMOS-feltet.

“Nu hvor vi ved, at de aktive galaksekerner er der, kan vi målrette opfølgende undersøgelser af individuelle galakser. Fremtidige dybe observationer — for eksempel med det nye rumteleskop James Webb — vil give os mere evidens for det fremsatte scenarie,” konkluderer John Weaver.

Studiet er netop blevet publiceret i The Astrophysical Journal: Ito et al. (2022): COSMOS2020: Ubiquitous AGN Activity of Massive Quiescent Galaxies at 0 < z < 5 Revealed by X-Ray and Radio Stacking.