Så vägde James Webb ett monster – ett sovande svart hål 10 miljarder ljusår bort

Stjärndynamik: att väga det osynliga

Med den linsade, förstorade vyn använde teamet JWST:s NIRSpec Integralfältspektrograf. Detta instrument fångade ett spektrum för varje pixel i bilden, vilket gjorde det möjligt för forskarna att kartlägga hastigheterna hos stjärnor på olika avstånd från galaxens centrum. Tekniken kallas stjärndynamik – samma metod som användes för att väga Vintergatans centrala svarta hål, en bedrift som belönades med Nobelpriset i fysik 2020 .

Stjärnor närmare ett supermassivt svart hål roterar snabbare. Genom att modellera hur stjärnhastigheterna förändrades med radien med enkel keplerrörelse kunde teamet identifiera det svarta hålets "inflytandesfär" – den region där dess gravitation dominerar stjärnornas rörelse. Detta möjliggjorde en direkt massmätning. Före denna studie var den mest avlägsna direkta mätningen med stjärndynamik av ett svart hål endast cirka 700 miljoner ljusår bort. MRG-M0138 krossar det rekordet med mer än en faktor tio .

Vad de fann: en galaxsläckande jätte

Mätningen bekräftade ett svart hål på ungefär 6 miljarder solmassor . Dess värdgalax, MRG-M0138, är en massiv, röd elliptisk galax som för länge sedan slutat bilda nya stjärnor. Det centrala svarta hålet är vilande, vilket betyder att det för närvarande inte drar in och hettar upp stora mängder gas .

Fynden antyder en våldsam historia. MRG-M0138 var troligen en gång en lysande kvasar, driven av gas som spiralerade in i det växande svarta hålet. Den enorma energiproduktionen från denna aktiva fas kan ha hettat upp eller till och med stött ut själva gasen som stjärnbildning kräver, vilket effektivt stängde av galaxens stjärnfabriker. Galaxens döda, tysta tillstånd och det svarta hålets vilande tillstånd idag är därför troligen relaterade; det svarta hålet växte sig så stort och kraftfullt att det släckte sin egen värd .

Utmanar modeller för samutveckling

Denna upptäckt träffar kärnan av hur vi tror att galaxer och svarta hål växer tillsammans. I det lokala universum finns ett starkt samband mellan massan hos ett centralt svart hål och egenskaperna hos värdgalaxens centrala bulge, vilket antyder att de utvecklas i takt. Denna mätning ger direkta bevis för att detta förhållande inte alltid var på plats, och att svarta hål kan bildas och växa till enorma storlekar innan deras värdgalaxer slutför monteringen av sina stjärnor.

Datan indikerar att några av de tätaste regionerna i det tidiga universum var platser för extremt snabb tillväxt av svarta hål, som växte ifrån den omgivande galaxen . Mätningen av MRG-M0138 utmanar enkla samutvecklingsmodeller där tillväxten av det svarta hålet och galaxen alltid är tätt kopplade. Framtida kartläggningar med JWST, Euclid, rymdteleskopet Nancy Grace Roman och nästa generations markbaserade observatorier som Giant Magellan Telescope syftar till att tillämpa denna teknik med lins plus stjärndynamik på många fler galaxer, för att bygga en statistisk bild av hur svarta hål och galaxer utvecklats tillsammans genom den kosmiska tidsåldern .