Euclid fant flere eldgamle kvasarer på ett år enn vitenskapen fant på et tiår

Det siste tiåret krevde det en koordinert innsats på tvers av flere teleskoper og måneder med oppfølgingsspektroskopi for å bekrefte én enkelt kvasar drevet av et sort hull som allerede veide en milliard solmasser da universet var mindre enn én milliard år gammelt. Det samlede resultatet av disse anstrengelsene lå på omtrent ti bekreftede objekter. I sitt første driftsår bekreftet Euclid tolv.

Dette tallet er hovedresultatet i en artikkel av doktorgradsstudent Daming Yang ved Universitetet i Leiden og kolleger, publisert i Astronomy & Astrophysics som del av en spesialutgave på 41 artikler basert på Euclids første kvartal av himmeldata. Den fullstendige katalogen inneholder 31 tidligere ukjente kvasarer fra universets tidligste epoke — eldgamle lyskilder, hver med en lysstyrke tilsvarende omtrent én billion soler, drevet av supermassive sorte hull som allerede var på plass da kosmos var en brøkdel av sin nåværende alder.

De to fjerneste objektene i katalogen, betegnet EUCL J172902.75+641018.1 og EUCL J125308.55+705432.3, har rødforskyvninger på henholdsvis 7,77 og 7,69, noe som plasserer dem blant de fjerneste objektene som er individuelt oppløst i noen undersøkelse. Lyset deres forlot universet da det var omtrent 670 millioner år gammelt.

Slik identifiserer Euclid objekter som ser ut som vanlige stjerner

Å oppdage eldgamle kvasarer er et nål-i-høystakk-problem. Ved ekstreme avstander har kvasarens ultrafiolette stråling blitt strukket av universets utvidelse inn i det nær-infrarøde, en forskyvning som plasserer dens karakteristiske spektrallinjer ved bølgelengder de fleste bakkebaserte instrumenter sliter med å nå effektivt. Mer praktisk gjør det resulterende svake, røde utseendet disse objektene nesten umulige å skille fra mye nærmere, langt flere M-dvergstjerner i vanlige synlig-lys-bilder. De fleste før-Euclid-oppdagelser var avhengige av å matche objekter på tvers av flere undersøkelser med varierende dybde og filterdekning, for deretter å prioritere kandidater til kostbar observasjonstid på store teleskoper.

Euclid løser begge problemene samtidig. Dets nær-infrarøde spektrometer og fotometer (NISP) dekker bølgelengder fra 0,95 til 2,0 mikrometer, nøyaktig der den rødforskjøvne Lyman-alfa-emisjonen fra z≥7-kvasarer faller, samtidig som det fanger opp bredbåndsfotometri som muliggjør innledende kandidatutvelgelse. Undersøkelsens areal, designet for til slutt å dekke en tredjedel av himmelen med dybder som ikke kan nås fra bakken, genererer et statistisk volum stort nok til å inneholde nyttige utvalg av de sjeldneste objektene. «Deres opprinnelige lys er både svakt og lett å forveksle med lys fra stjerner som ligger nærmere oss,» sa Antonio La Marca, ESA-forsker i Euclid-teamet.

Yangs team brukte en fotometrisk utvalgsalgoritme på Q1-dataene, identifiserte kandidater som var forenlige med kvasarer ved z≥7, og bekreftet oppdagelser ved hjelp av NISPs spektroskopiske modus uten å trenge en separat bakkebasert kampanje. Effektivitetsgevinsten sammenlignet med tidligere undersøkelsesmetoder er forskjellen mellom et tiårs samlede resultat og tolv bekreftede objekter på ett år.

Hva rødforskyvningsterskelen på 7 faktisk betyr

Rødforskyvning kvantifiserer hvor mye universet har utvidet seg siden et gitt foton ble sendt ut. En rødforskyvning på z=7 tilsvarer et univers som var omtrent en åttendedel av sin nåværende lineære størrelse, noe som oversettes til en tilbakeskuingstid på omtrent 13 milliarder år og en kosmisk alder på 670 millioner år etter Big Bang. I det øyeblikket var universet i ferd med å fullføre reionisering, overgangen der ultrafiolett utstråling fra de første lysende kildene ioniserte hydrogengassen som hadde holdt det tidlige kosmos ugjennomsiktig.

Kvasarer ved z≥7 var blant hoveddriverne for reionisering, men de er også dens paradoks: de krever supermassive sorte hull som vokste raskt nok til å nå milliarder av solmasser på et tidspunkt i kosmisk historie da det, under standardmodeller for strukturdannelse, knapt hadde vært tid til å danne de første stjernene. Melkeveiens sentrale sorte hull, Sagittarius A*, veier omtrent fire millioner solmasser og akkumulerte denne massen over universets fulle 13,8 milliarder år lange levetid. De sorte hullene som driver z≥7-kvasarene i Euclid-katalogen, veier hundrevis til tusenvis av ganger mer, men akkumulerte denne massen på under 5 % av samme tidsramme.

«Disse monstrene — som veier milliarder av ganger solens masse — eksisterte på en eller annen måte allerede da universet var i sin spede begynnelse,» sa Joseph Hennawi, Yangs veileder ved UC Santa Barbara og medforfatter på artikkelen. Å finne mer enn et dusin av dem i ett enkelt års data viser at de ikke er statistiske avvik: utvalget er nå stort nok til å behandles som en populasjon.

Hva katalogen ikke løser

Flere bekreftede oppdagelser styrker en kvantitativ sak uten å skille mellom foreslåtte formasjonsmekanismer. De ledende kandidatene inkluderer vedvarende super-Eddington-akkresjon, der gass faller inn i et frøsort hull raskere enn den kanoniske strålingstrykkgrensen i perioder lange nok til å bygge de observerte massene; direkte kollaps av massive opprinnelige gasskyer til frøsorte hull langt tyngre enn noen stjernerest; og rask sammensmelting av tette tidlige stjernehoper før den første generasjonen supermassive sorte hull ble slått på. Hver mekanisme står overfor uavhengige observasjonsbegrensninger, og Euclid-dataene inkluderer ennå ikke vertsgalaksekarakteriseringene som trengs for å teste dem direkte.

Yangs artikkel bemerker at katalogen på 31 objekter representerer en lyssterk delmengde av en større underliggende populasjon, de som er lyssterke nok og med riktig kombinasjon av rødforskyvning og himmelposisjon til å fremstå tydelig fra Q1-dataene. Fullstendighetsmodeller vil kreve den fullstendige Euclid-undersøkelsen, som fortsetter å observere. En praktisk forbehold gjelder alle 31 objektene: vertsgalaksekarakterisering, avgjørende for å teste formasjonsmodeller, krever dypere observasjoner enn undersøkelsen selv gir. Silvia Belladitta ved Max Planck-instituttet for astronomi i Heidelberg utførte oppfølgingsspektroskopi for det nest fjerneste objektet i katalogen; planlagte bakkebaserte kampanjer vil adressere hele utvalget.

Vanlige spørsmål om Euclids eldgamle kvasarer

Hva er egentlig en kvasar, og hvorfor er lysstyrken viktig?

En kvasar er den intenst lysende kjernen i en galakse drevet av et supermassivt sort hull som aktivt akkresjerer omkringliggende gass. Når materiale varmes opp i akkresjonsskiven, stråler det over det elektromagnetiske spekteret med en lysstyrke som kan overgå hver eneste stjerne i vertsgalaksen til sammen. Ved avstandene som rapporteres her, er bare sentralmotoren detekterbar; vertsgalaksen er for svak og for kompakt til å oppløses. Den ekstreme lysstyrken er det som gjør at Euclid kan oppdage objekter fra 13 milliarder lysår unna.

Hvorfor beskrives disse objektene som et problem for kosmologien?

Standardmodeller for sort hull-vekst setter en naturlig grense for akkresjonsrater, kjent som Eddington-grensen. Et frøsort hull med stjernemasse, det største sorte hullet en stjerne kan etterlate seg, som akkresjerer kontinuerlig med denne raten, kan ikke nå en milliard solmasser i løpet av tiden som er tilgjengelig mellom Big Bang og epoken disse kvasarene befinner seg i. Å finne mer enn et dusin i ett enkelt undersøkelsesår betyr at de er vanlige nok til at ingen eksotisk enkelthendelse kan forklare dem; formasjonsmekanismen må fungere i stor skala.

Hvordan sammenligner Euclid seg med tidligere undersøkelser for denne typen objekter?

Euclid-undersøkelsen vil til slutt dekke omtrent 14 000 kvadratgrader med nær-infrarøde følsomheter som bakkebaserte undersøkelser ikke kan matche over sammenlignbare områder. Den forrige generasjonen undersøkelser, inkludert Sloan Digital Sky Survey og UKIRT Infrared Deep Sky Survey, identifiserte mesteparten av den tidligere z≥7-kvasarkatalogen over mer enn et tiår med kombinerte observasjoner. Euclids NISP-instrument utfører det som tilsvarer innledende utvelgelse og spektroskopisk screening samtidig, og komprimerer det som tidligere krevde separate kampanjer til én enkelt observasjonsrunde.

Hva skjer videre i dette forskningsprogrammet?

Bakkebasert oppfølgingsspektroskopi er planlagt for hele utvalget på 31 objekter for å forbedre rødforskyvningsmålinger og karakterisere vertsgalakser. Ytterligere Euclid-datareleaser vil utvide katalogen etter hvert som undersøkelsen akkumulerer himmelareal. Q2-datareleasen fra Euclid, som dekket Melkeveiens galaktiske bul med 60 millioner stjerner fanget i 26 timers observasjon, ble publisert i slutten av juni; påfølgende utgivelser vil legge til mer ekstragalaktisk himmelareal relevant for søk etter høyrødforskjøvne kvasarer. «Ved å finne og studere dem,» skrev Yang, «kan vi bedre forstå hvordan disse enorme systemene ble dannet og vokste så raskt.»

Referanse: Yang et al., «Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,» Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Tagger: astronomi, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars