Heel dicht bij het begin, denken wetenschappers, waren er zwarte gaten.
Deze zwarte gaten, die astronomen nooit rechtstreeks hebben gedetecteerd, vormden zich niet op de gebruikelijke manier: de explosieve ineenstorting van een grote, stervende ster in zijn eigen zwaartekrachtbron. De materie in deze zwarte gaten, denken onderzoekers, werd niet verpletterd door de laatste zucht van een oude ster.
In die tijd waren er in de eerste 1 miljard jaar van het heelal inderdaad geen oude sterren. In plaats daarvan waren er enorme wolken materie die de ruimte vulden en de vroegste sterrenstelsels zaaiden. Een deel van die materie, zo menen onderzoekers, klonterde samen, maar stortte in zijn eigen zwaartekracht in, net zoals oude sterren later deden toen het universum ouder werd. Die stort in, denken onderzoekers, zaaiden superzware zwarte gaten die geen vorig leven als sterren hadden. Astronomen noemen deze singulariteiten "zwarte gaten met directe ineenstorting" (DCBH's).
Het probleem met deze theorie is echter dat niemand er ooit een heeft gevonden.
Maar dat kan veranderen. Een nieuw artikel van het Georgia Institute of Technology, dat op 10 september in het tijdschrift Nature Astronomy is gepubliceerd, stelt dat de James Webb Space Telescope (JWST), die NASA de komende jaren van plan is te lanceren, gevoelig genoeg moet zijn om een sterrenstelsel te detecteren met een zwart gat uit deze oude periode van de geschiedenis van het universum. En de nieuwe studie stelt een reeks handtekeningen voor die kunnen worden gebruikt om een DCBH-hostingstelsel te identificeren.
En die ultrakrachtige telescoop hoeft misschien niet lang in de lucht te zoeken om er een te vinden.
"We voorspellen dat de aanstaande James Webb-ruimtetelescoop mogelijk een jong sterrenstelsel kan detecteren en onderscheiden dat een direct ineenstortend zwart gat herbergt ... met een totale belichtingstijd van slechts 20.000 seconden", schreven de onderzoekers. (Later merkten ze op dat er een aantal "ruwe" elementen waren in die schatting van de timing.)
Om hun voorspelling te doen, gebruikten de onderzoekers een computermodel om de vorming van een DCBH in het vroege heelal te simuleren. Ze ontdekten dat wanneer een DCBH zich vormt, er veel enorme, kortstondige, metaalvrije sterren omheen ontstaan. Dus het licht dat afkomstig is van zijn gaststelsel zou handtekeningen bevatten van sterren met een laag metaalgehalte.
Ze ontdekten ook dat een opkomende DCBH bepaalde, hoge frequenties van elektromagnetische straling uitzendt die de JWST zou kunnen herkennen - hoewel die straling zo ver zou zijn gereisd, van een sterrenstelsel dat zo snel in de tegenovergestelde richting beweegt, dat het door infraroodstraling zou zijn verschoven door de tijd dat het ons zonnestelsel bereikte. (Licht is roodverschoven of verschuift naar langere golflengten, omdat objecten in het universum verder van elkaar af bewegen.)
En dat komt tot de onderliggende reden dat onderzoekers nog steeds alleen (in zeer geavanceerde termen) kunnen speculeren over hoe een DCBH eruit zou moeten zien voor de JWST, en wachten tot de JWST daadwerkelijk in de ruimte arriveert: om het vroege universum te bestuderen, hebben wetenschappers heel ver weg kijken, naar heel oud licht dat al heel lang op reis is. Dat licht is bijzonder zwak en zonder een instrument dat zo gevoelig is als de JWST, heeft de mensheid op dit moment gewoon geen manier om het te detecteren.
Zodra de JWST echter is gestart, zou deze in relatief korte tijd een DCBH moeten kunnen detecteren, schreven de onderzoekers. Dat komt omdat er veel zwarte gaten zijn die onderzoekers al kunnen detecteren uit het iets latere universum waarvan ze vermoeden dat het DCBH's zijn. Maar die zwarte gaten zijn dichter bij de aarde, dus de signalen die de mensheid nu van hen kan detecteren, zijn later in hun leven ontstaan, toen het bewijs voor hoe ze zich vormden verloren is gegaan.
Er zijn een aantal open vragen over DCBH's die de JWST zou kunnen beantwoorden, zeiden de onderzoekers in een verklaring, zoals of een DCBH zich vormt en er vervolgens een sterrenstelsel omheen vormt, of dat DCBH's zijn gevormd nadat de materie om hen heen al was samengeklonterd samen in sterren.
"Dit is een van de laatste grote mysteries van het vroege universum", zei Kirk Barrow, de eerste auteur van de paper en een recent gepromoveerde van Georgia Tech's School of Physics, in de verklaring. 'We hopen dat deze studie een goede stap is om uit te zoeken hoe deze superzware zwarte gaten ontstaan bij de geboorte van een sterrenstelsel.'
