Ursprunget till 'Mirach's Ghost' förvirrade forskare i svart hål

 Cirka 10 miljoner ljusår från jorden kan en oskarp galax med namnet Mirach's Ghost hjälpa till att ta upp ett mörkt mysterium: där de största svarta hålen i universum kom från. Men denna spöklika galax har också fördjupat mysteriet kring dessa objekts födelse.

Ett svart hål är en singularitet, en region i rymden där materien har blivit för tät för att upprätthålla sig själv och kollapsade till en formlös punkt. Supermassiva svarta hål (SMBH) är kosmiska monster, som väger ofta miljarder gånger massan av vår sol, jämfört med massan av tunga stjärnor som bildar vanliga svarta hål. De sitter vid centra för stora galaxer, suger upp gas och piskar stjärnor runt med sina enorma gravitationer. Det finns en i mitten av Vintergatan och en ännu större i mitten av Virgo A-galaxen som astronomer har fotograferat. Men det är fortfarande inte klart hur dessa mammutföremål bildades.

Fysiker tror att det finns två möjligheter: Kanske är SMBH: s antika funktioner i universum, föremål som direkt kollapsade ur den heta massan som strömmade genom rymden efter Big Bang. Eller kanske de bildades som alla andra svarta hål i universum: som ett resultat av detonationer av döende stjärnor. Om den sistnämnda förklaringen var korrekt, skulle SMBHs ha börjat litet och tagit upp ytterligare massa under loppet av eoner genom att gabba upp damm och andra stjärnor.

Relaterad: 9 fakta om svarta hål som kommer att blåsa ditt sinne

"Problemet är att i alla fall de flesta svarta hål har vuxit markant sedan deras födelse och sväljer upp moln med gas och damm som virvlar runt dem", säger Timothy Davis, en astrofysiker vid Cardiff University i Wales. "Detta gör dem tyngre och gör det svårt att bestämma den massa de började livet med."

Så Davis och hans kollegor letade efter de minsta SMBH som de kunde hitta.

Dessa små supermassiv, berättade han, "har inte haft chansen att konsumera stora mängder material tidigare, [så när vi studerar dem] kommer vi nära att avslöja hur SMBH måste ha sett ut när de bildades."

Forskarna studerade SMBH i mitten av galaxen "Mirach's Ghost" (så kallad eftersom från jorden galaxen ser ut som en uppenbarelse nära stjärnan Mirach), med en ny teknik för att bestämma dess massa.

Relaterad: De största olösta mysterierna inom fysik

Förlita sig på data från Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) i Chile, mätte forskarna hastigheten på kolmonoxidgas när den virvlade mot SMBH i mitten av Mirachs Ghost-galax.

"Precis som vatten som går runt ett plug-hole, går denna gas snabbare och snabbare när det närmar sig det svarta hålet," sade Davis.

Det virvlande är en produkt av det svarta hålets massa, så hastigheten på virvlingen - exakt uppmätt - kan säga forskare hur mycket det svarta hålet väger. ALMA: s bilder, med en upplösning på 1,5 ljusår (mycket detaljerade för ett så avlägset objekt), gjorde det möjligt. Denna SMBH, fann de, har en massa som är mindre än 1 miljon gånger vår sol - en baby enligt SMBH-standarder. Baserat på uppskattningar av hur mycket det har vuxit sedan det föddes, vägde det troligt mindre än 500 000 gånger massan av vår sol när den föddes, sade Davis.

-Universum: Big Bang till nu i 10 enkla steg

-De 15 konstigaste galaxerna i vårt universum

-101 astronomibilder som kommer att blåsa ditt sinne

Det bevisar inte att någon av ursprungshistorierna är korrekta, fann forskarna. Men det är något som tippar balansen mot modellen för direkt kollaps, och utesluter mer extrema versioner av teorin om direkt kollaps. Vissa teorier med direkt kollaps tillåter inte SMB: er som är så små alls.

Fortfarande är ursprunget till svarta hål ett mysterium. Ett problem: Andra iakttagelser har visat att mycket stora SMBHs existerade i sin nuvarande form mycket snart efter Big Bang, vilket trotsar våra antaganden om hur snabbt svarta hål kan växa.

"Vi känner till två huvudsakliga sätt att skapa SMBH: er, och ingen av dessa kan göra svarta hål av den här storleken direkt. Istället måste de ha fötts mindre och vuxit till dessa fantastiska storlekar. Det är verkligen svårt att göra, eftersom det finns en gräns till hur mycket ett svart hål kan svälja under den tillgängliga tiden sedan universum skapades, ”sade Davis. "Vårt arbete förstärker detta problem. Vi har visat att vilken mekanism som helst som gör SMBH: er tillåter dem att ha en massa som är mindre än 500 000 gånger massan från vår sol när de föddes."

Även om det väljer skalorna mot direkt-kollapsteorin, erbjuder ingen av teorierna goda förklaringar om var en så liten SMBH kunde ha kommit ifrån. Det slutliga svaret kommer sannolikt att innebära några betydande ändringar av en av de modeller fysikerna har just nu.

Så nu vet fysiker lite mer om hur unga SMBHs ser ut. Men de är fortfarande inte säkra var de kom ifrån. Uppsatsen som beskriver det svarta hålet i centrum av Mirach's Ghost publicerades idag (14 juli) i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.