Astronom chockad: jättestor svart hålet släcker i rekordfart – Pasta Party

En quasar som slocknade framför forskarnas ögon

I det observerbara universums yttersta regioner har forskare överraskats av ett supermassivt svart hål som genomgår en dramatisk och plötslig nedtoningsfas. Förändringens hastighet chockerade även de mest rutinerade experterna inom området.

Objektet kallas quasar J0218−0036 och ligger så avlägset att dess ljus har rest i ungefär 10 miljarder år innan det når oss. Trots detta lyckades astronomerna bevittna hur dess ljusstyrka nästan fullständigt kollapsade på bara två decennier — som om någon plötsligt stängde av den kosmiska bränslekranen.

Under årtionden har läroböckerna lärt oss att quasarer — extremt lysande galax­kärnor drivna av supermassiva svarta hål — strålar under enormt långa tidsperioder, långt bortom en människolivstid. Föreställningen var att ett sådant objekt tänds en gång och därefter pumpar ut energi i omgivningarna under miljontals år.

Med J0218−0036 börjar detta mönster rämna fullständigt. Ett forskningsteam lett av Tomoki Morokuma från det tekniska institutet i Chiba granskade data från två omfattande himmelskartläggningar: SDSS och Hyper Suprime-Cam. Forskarna undersökte hela 31 549 quasarer från samma himmelsfält och jämförde deras ljusstyrka över perioder på upp till flera årtionden.

Inledningsvis valde de ut 57 objekt som tydligt hade blivit svagare. Endast ett uppvisade så dramatiska förändringar att det hamnade högst upp på listan över ”misstänkta” — just J0218−0036.

Quasar J0218−0036 förlorade över tre magnituder i synligt ljus, vilket motsvarar en minskning i ljusflödet på upp till ett tio-femtondubbelt.

På arkivbilder syns en tydlig, blåaktig punkt — en typisk aktiv quasar. På nyare fotografier är objektet så svagt att den omgivande galaxen nu framträder allt tydligare. För astronomerna motsvarar detta att fånga det ögonblick då galaxkärnans ”motor” växlar från sportläge till tomgång.

Så mätte man det supermassiva svarta hålets nedtoning

En enskild förändring i ljusstyrka inom ett våglängdsområde räcker inte för att dra slutsatsen att det svarta hålet verkligen håller på att bromsa in. Det skulle exempelvis kunna förklaras med ett dammmoln som helt enkelt skymt objektet från vår synvinkel. Därför samlade Morokumas team in data från en rad olika teleskop och i många olika strålningsband.

Optik och infrarött pekar i samma riktning

Ljuskurvor över de senaste cirka 20 åren visar en konstant och tydlig nedåtgående tendens. Quasarens ljusstyrka sjunker inte bara i synligt ljus, utan även i infrarött. Här spelade mätningar från rymdteleskopen Spitzer och WISE en avgörande roll, eftersom båda arbetar just i det infraröda spektrumet.

När strålningen från den heta damm­ringen som omger det svarta hålet också minskar, innebär det att hela systemet tar emot mindre energi — inte bara att det gömmer sig bakom en damm­ridå. Det är ett starkt tecken på att förändringarna är verkliga och inte bara ett perspektiviskt fenomen.

Stora teleskopspektrografer kom också till användning. Forskarna jämförde spektrumet av J0218−0036 från SDSS/eBOSS-perioden med ett nytt spektrum upptaget 2022 med hjälp av LRIS-instrumentet på Keck-teleskopet.

De karakteristiska emissions­linjerna från gas nära det svarta hålet är fortfarande synliga, men tydligt försvagade. Det är ett tecken på att hela regionen kring galaxkärnan idag kör på en mycket lägre nivå.

Därför handlar det inte om vanligt damm

Astrofysikerna sammanställde data från sex olika observations­perioder — från optiskt ljus till mellersta infraröda området. De separerade bidraget från den lysande kärnan och den lugnare värdgalaxen och testade därefter två modeller:

• Ett verkligt fall i quasarens ljusstyrka, alltså en reduktion i mängden material som faller in mot det svarta hålet
• En variabel dammslöja, som gradvis dämpar ljuset på väg mot jorden

I båda de oberoende statistiska analyserna vann scenariot med ett äkta effektfall klart. Forskarna drar otvetydigt slutsatsen att den observerade försvagningen av emissionen bäst förklaras av ett kraftigt fall i ackretions­takten — alltså tillströmningen av material till det supermassiva svarta hålet.

Detta syns tydligt i det så kallade Eddington-förhållandet, som jämför den aktuella ljusstyrkan med objektets maximala teoretiska effekt. För J0218−0036 sjönk detta tal från cirka 0,4 till endast 0,008. Med andra ord: quasaren bytte plötsligt från att vara mycket aktiv till att nästan fullständigt gå i dvala.

Vad detta fall berättar om gigantiska svarta håls liv

Hittills har man förknippat supermassiva svarta hål med långsam utveckling, utsträckt över miljontals år. Historien om J0218−0036 antyder att dessa kolossala objekt åtminstone ibland kan ändra beteende radikalt under endast några få år — mätt i deras egen tidsrymd.

Sett från jorden sträcker sig ljusfallen över omkring fem och ett halvt år. När man tar med universums expansion i beräkningen, visar det sig att hela förvandlingen i quasarens eget referenssystem tog under två år. För modeller av ackretions­skivor är detta en extremt kort tidshorisont — kortare än de typiska reaktionstider man förväntar sig för den sortens gasstrukturer.

En så snabb nedtoning tvingar teoretikerna att ompröva hur det i praktiken ser ut när tillströmningen av gas till ett supermassivt svart hål avskärs.

En lugn galax, en tyst jätte

När galaxkärnan tonade ut fick astronomerna äntligen en tydligare inblick i själva den omgivande galaxen. Dess stjärnmassa är cirka 1,4 × 10¹¹ solmassor — en typisk storlek för stora galaxer i det avlägsna universum.

Däremot är bildningen av nya stjärnor i denna galax överraskande låg. Den är långt ifrån den ”stjärnfabrik” man annars skulle förvänta sig vid en sådan massa i en så avlägsen epok. Det tyder på att quasaren tappar sin kraft i en redan relativt lugn miljö — inte mitt i en spektakulär galaxkollision eller turbulent gastillströmning.

Denna bild passar väl med en alltmer utbredd föreställning om galaxer och deras svarta hål som system som då och då tappar synkroniseringen. Kärnan kan tona ut, även om galaxen fortfarande pyr av aktivitet — eller tvärtom, det svarta hålet kan blossa upp i ett objekt som utifrån ser nästan inaktivt ut.

Varför denna quasar fascinerar forskarna så mycket

J0218−0036 är ett sällsynt exempel på att astronomerna faktiskt fångar ett supermassivt svart hål mitt i ett lägesskifte. Normalt ser man endast antingen det aktiva eller det lugna tillståndet och försöker sedan rekonstruera objektets historia bakåt.

Tack vare detta fall kan man nu bättre kalibrera de numeriska simuleringarna som beskriver svarta håls tillväxt och deras inverkan på omgivningarna. Om så våldsamma ”nedstängningar” sker oftare än hittills antagit, påminner ett supermassivt svart håls liv mer om en serie kortvariga utbrott än om ett långt, obrutet skinande förlopp.

Vad det betyder för vår egen Vintergata

I centrum av vår egen galax finns det också ett supermassivt svart hål — Sagittarius A*. Idag är det lugnt, men spår i gas och damm tyder på att det i det förflutna kan ha varit långt mer aktivt. Fallet med J0218−0036 visar att en sådan förändring kan ske relativt snabbt.

Om svarta hål så villigt växlar mellan tysta och bullriga faser, blir tolkningen av Vintergatans och andra galaxers historia långt mer komplicerad. En enda ögonblicksbild från en viss epok i den kosmiska historien räcker helt enkelt inte för att berätta hela berättelsen om deras förflutna.

Vad händer nu med forskningen om sådana ”slocknade” quasarer

Forskarna hoppas att nya och mycket stora himmelskartläggningar — som exempelvis de observationer som planeras med Vera Rubin Observatory — kommer att avslöja många fler liknande fall. Ju större urval, desto bättre kan man avgöra om J0218−0036 är ett sällsynt undantag, eller bara det första väldokumenterade exemplet på ett långt mer utbrett fenomen.

Det är också värt att notera att sådana variabla galaxkärnor påverkar allt i sina omgivningar: gastemperaturen, möjligheten för stjärnbildning och i kosmisk skala till och med den statistiska fördelningen av galaxtyper. Att förstå när och hur svarta hål stänger av bränslе­tillförseln till sig själva har alltså mycket konkreta konsekvenser för den bild av universums strukturella utveckling som astrofysikerna arbetar med att teckna.