Po raz pierwszy w historii, astronomom udało się zmierzyć masę czarnej dziury znajdującej się na samej granicy obserwowanego Wszechświata. Grupa naukowców z Kanady i Wielkiej Brytanii badała w promieniowaniu podczerwonym najodleglejszy znany kwazar. Za pomocą znajdującego się na Hawajach teleskopu podczerwieni United Kingdom Infrared Telescope (UKIRT) udało im się „zważyć” czarną dziurę znajdującą się we wnętrzu kwazara i określić jej masę na biliard (10¹⁵) mas Ziemi.

Kwazary to odległe, bardzo jasne galaktyki. Większość wytwarzanej przez nie energii nie pochodzi od gwiazd, lecz jest emitowana przez materię opadającą na znajdującą się wewnątrz kwazara supermasywną czarną dziurę. Ilość wytwarzanej podczas opadania każdego kilograma materii energii może być kilkanaście razy większa od energii wytwarzanej w procesie syntezy termojądrowej z udziałem tej samej ilości materii – tak więc proces opadania materii na czarną dziurę jest jednym z najbardziej wydajnych energetycznie procesów we Wszechświecie, a kwazary są najdalszymi obiektami, jakie można zaobserwować.

„Obserwowaliśmy najdalszy znany kwazar, SDSS J1148+5251. Widzieliśmy światło pochodzące sprzed 13 miliardów lat, z okresu, kiedy wiek Wszechświata wynosił 6 procent obecnego wieku” – mówi kierujący badaniami Chris Willott z National Research Council’s Herzberg Institute of Astrophysics w Wiktorii w Kanadzie.

Badacze użyli spektrometru UIST do badania widma podczerwonego światła kwazara. Szukali charakterystycznych cech w spektrum – linii jonów MgII. Są to atomy magnezu z wybitym tylko jednym elektronem. Wchodzą w skład gazu wokół czarnej dziury, znajdującej się w sercu kwazara.

„Możemy określić masę czarnej dziury w kwazarze, porównując linię MgII w jego spektrum z tymi samymi liniami MgII znajdującymi się w widmach bliższych kwazarów. Mówiąc najprościej, szerokość linii jest oznaką prędkości gazu w pobliżu kwazara. W pobliżu masywniejszej czarnej dziury materia porusza się szybciej” – wyjaśnia Willott.

Badanie linii MgII pozwoliło oszacować masę czarnej dziury na 3 miliardy mas Słońca. Na podstawie przesunięcia widma ku czerwieni wynoszącego 6,41, określono odległość do kwazara na 13 miliardów lat świetlnych.

Jasność kwazara pozwala też przypuszczać, że czarna dziura znajdująca się w jego wnętrzu pożera materię w największym możliwym tempie. Takie tempo zwane jest eddingtonowskim tempem akrecji (granicą Eddingtona). Gdyby czarna dziura pochłaniała opadającą materię jeszcze szybciej, materia ta świeciłaby jeszcze mocniej, co wytworzyłoby takie ciśnienie, że powstrzymałoby ono materię przed dalszym spadaniem na czarną dziurę.

„Kwazary wskazują pierwsze masywne struktury, które uformowały się we Wszechświecie. Badania potwierdzają, że takie wielkie czarne dziury powstały na bardzo wczesnym etapie ewolucji Wszechświata, ale były rzadkie. Otoczone były wystarczającą ilością materii, by zapewnić akrecję do granicy Eddingtona” – mówi dr Ross McLure z Institute for Astronomy w Edynburgu.

Dr Matt Jarvis z Uniwersytetu Oksfordzkiego przedstawia dalsze plany grupy. „Chcemy zastosować naszą technikę pomiaru masy do innych kwazarów, z różnymi wartościami przesunięcia ku czerwieni. Mamy nadzieję prześledzić ewolucję czarnych dziur i galaktyk, w których się znajdują na przestrzeni okresu od młodości Wszechświata do dziś„.