Jaren voordat ze er zelfs maar zeker van was dat de James Webb Space Telescope succesvol zou lanceren, Christina Eilers begon met het plannen van een conferentie voor astronomen die gespecialiseerd zijn in het vroege heelal. Ze wist dat als – bij voorkeur wanneer – JWST observaties zou gaan doen, zij en haar collega's veel te bespreken zouden hebben. Net als een tijdmachine kon de telescoop verder weg en verder in het verleden kijken dan enig eerder instrument.

Gelukkig voor Eilers (en de rest van de astronomische gemeenschap) was haar planning niet voor niets: JWST werd zonder problemen gelanceerd en ingezet, en begon vervolgens het vroege universum serieus te onderzoeken vanaf zijn toppositie in de ruimte, een miljoen mijl verderop.

Half juni kwamen ongeveer 150 astronomen bijeen op het Massachusetts Institute of Technology voor Eilers' JWST "First Light"-conferentie. Er was nog geen jaar verstreken sinds JWST begonnen met het verzenden van afbeeldingen terug naar de aarde. En precies zoals Eilers had verwacht, veranderde de telescoop al het begrip van astronomen van de eerste miljard jaar van de kosmos.

Eén reeks raadselachtige objecten viel op in de talloze presentaties. Sommige astronomen noemden ze 'verborgen kleine monsters'. Voor anderen waren het 'kleine rode stippen'. Maar wat hun naam ook was, de gegevens waren duidelijk: wanneer JWST naar jonge sterrenstelsels staart - die verschijnen als louter rode stippen in de duisternis - ziet het een verrassend aantal met cyclonen die in hun midden ronddraaien.

"Er lijkt een overvloed aan bronnen te zijn waarvan we niets afwisten," zei Eilers, een astronoom aan het MIT, "die we helemaal niet hadden verwacht te vinden."

In de afgelopen maanden heeft een stortvloed aan waarnemingen van de kosmische vegen astronomen verrukt en verbijsterd.

"Iedereen heeft het over deze kleine rode stippen," zei Xiaohui-fan, een onderzoeker aan de Universiteit van Arizona die zijn hele carrière heeft besteed aan het zoeken naar verre objecten in het vroege universum.

De eenvoudigste verklaring voor de tornado-achtige sterrenstelsels is dat grote zwarte gaten die miljoenen zonnen wegen de gaswolken tot razernij opzwepen. Die bevinding is zowel verwacht als verwarrend. Het wordt verwacht omdat JWST gedeeltelijk is gebouwd om de oude objecten te vinden. Ze zijn de voorouders van kolossale zwarte gaten met een miljard zon die op onverklaarbare wijze vroeg in het kosmische record lijken te verschijnen. Door deze voorloper zwarte gaten te bestuderen, zoals drie recordbrekende jongeren die dit jaar ontdekten, hopen wetenschappers te weten te komen waar de eerste gigantische zwarte gaten vandaan kwamen en misschien te identificeren welke van twee concurrerende theorieën hun vorming beter beschrijft: groeiden ze extreem snel, of werden ze gewoon groot geboren? Maar de waarnemingen zijn ook verbijsterend omdat maar weinig astronomen hadden verwacht dat JWST zoveel jonge, hongerige zwarte gaten zou vinden - en enquêtes leveren ze met tientallen op. Tijdens hun poging om het voormalige mysterie op te lossen, hebben astronomen een massa omvangrijke zwarte gaten ontdekt die gevestigde theorieën over sterren, sterrenstelsels en meer kunnen herschrijven.

"Als theoreticus moet ik een universum bouwen", zei hij Marta Volonteri, een astrofysicus gespecialiseerd in zwarte gaten aan het Paris Institute of Astrophysics. Volonteri en haar collega's kampen nu met de instroom van gigantische zwarte gaten in de vroege kosmos. "Als ze [echt] zijn, veranderen ze het beeld volledig."

Een kosmische tijdmachine

De JWST-waarnemingen schudden de astronomie gedeeltelijk op zijn kop omdat de telescoop licht kan detecteren dat de aarde bereikt van dieper in de ruimte dan welke eerdere machine dan ook.

"We hebben deze absurd krachtige telescoop gedurende 20 jaar gebouwd", zei hij Grant Tremblay, een astrofysicus aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. "Het hele punt was oorspronkelijk om diep in de kosmische tijd te kijken."

Een van de doelen van de missie is om sterrenstelsels te vangen die zich vormen tijdens de eerste miljard jaar van het universum (van zijn ongeveer 13.8 miljard jaar geschiedenis). De eerste waarnemingen van de telescoop van afgelopen zomer hintte naar een jong universum vol opvallend volwassen sterrenstelsels, maar de informatie die astronomen uit zulke beelden konden persen was beperkt. Om het vroege universum echt te begrijpen, hadden astronomen meer nodig dan alleen de beelden; ze hongerden naar de spectra van die sterrenstelsels - de gegevens die binnenkomen wanneer de telescoop binnenkomend licht in specifieke tinten breekt.

Galactische spectra, die JWST eind vorig jaar serieus begon terug te sturen, zijn om twee redenen nuttig.

Eerst lieten ze astronomen de leeftijd van het sterrenstelsel bepalen. Het infrarode licht dat JWST verzamelt, is rood of roodverschoven, wat betekent dat de golflengten ervan worden uitgerekt door de uitbreiding van de ruimte terwijl het de kosmos doorkruist. Door de omvang van die roodverschuiving kunnen astronomen de afstand van een melkwegstelsel bepalen, en dus wanneer het oorspronkelijk zijn licht uitzond. Nabije sterrenstelsels hebben een roodverschuiving van bijna nul. JWST kan gemakkelijk objecten onderscheiden die verder gaan dan een roodverschuiving van 5, wat overeenkomt met ongeveer 1 miljard jaar na de oerknal. Objecten met hogere roodverschuivingen zijn aanzienlijk ouder en verder weg.

Ten tweede geven spectra astronomen een idee van wat er in een sterrenstelsel gebeurt. Elke tint markeert een interactie tussen fotonen en specifieke atomen (of moleculen). Eén kleur is afkomstig van een knipperend waterstofatoom terwijl het na een hobbel tot rust komt; een andere geeft verdrongen zuurstofatomen aan en een andere stikstof. Een spectrum is een kleurenpatroon dat onthult waaruit een sterrenstelsel bestaat en wat die elementen doen, en JWST biedt die cruciale context voor sterrenstelsels op ongekende afstanden.

"We hebben zo'n enorme sprong gemaakt," zei Aayush Saxena, een astronoom aan de Universiteit van Oxford. Het feit dat "we het hebben over de chemische samenstelling van sterrenstelsels met roodverschuiving 9 is absoluut opmerkelijk."

(Roodverschuiving 9 is verbijsterend ver weg, wat overeenkomt met een tijd waarin het universum slechts 0.55 miljard jaar oud was.)

Galactische spectra zijn ook perfecte hulpmiddelen voor het vinden van een belangrijke verstoorder van atomen: gigantische zwarte gaten die op de loer liggen in de harten van sterrenstelsels. Zwarte gaten zijn zelf donker, maar wanneer ze zich voeden met gas en stof, scheuren ze atomen uit elkaar, waardoor ze veelbetekenende kleuren uitstralen. Lang voor de lancering van JWST hoopten astrofysici dat de telescoop hen zou helpen die patronen te ontdekken en voldoende van de grootste en meest actieve zwarte gaten van het vroege universum te vinden om het mysterie van hun ontstaan ​​op te lossen.

Te groot, te vroeg

Het mysterie begon meer dan 20 jaar geleden, toen een team onder leiding van Fan er een zag de verste sterrenstelsels ooit waargenomen - een briljante quasar, of een melkwegstelsel verankerd aan een actief superzwaar zwart gat met een gewicht van misschien wel miljarden zonnen. Het had een roodverschuiving van 5, wat overeenkomt met ongeveer 1.1 miljard jaar na de oerknal. Met verdere streken van de lucht braken Fan en zijn collega's herhaaldelijk hun eigen records en verlegden ze de grens van de quasar-roodverschuiving 6 in 2001 en uiteindelijk naar 7.6 in 2021 - slechts 0.7 miljard jaar na de oerknal.

Het probleem was dat het maken van zulke gigantische zwarte gaten zo vroeg in de kosmische geschiedenis onmogelijk leek.

Zoals elk object hebben zwarte gaten tijd nodig om te groeien en zich te vormen. En net als een peuter van 6 meter lang waren de supergrote zwarte gaten van Fan te groot voor hun leeftijd - het universum was niet oud genoeg om miljarden zonnen van gewicht te hebben opgebouwd. Om die uit de kluiten gewassen peuters te verklaren, moesten natuurkundigen twee smakeloze opties overwegen.

De eerste was dat de sterrenstelsels van Fan aanvankelijk gevuld waren met standaard, ruwweg stellaire zwarte gaten van het soort dat supernova's vaak achterlaten. Die groeiden toen zowel door samen te smelten als door omringend gas en stof op te slokken. Normaal gesproken, als een zwart gat agressief genoeg eet, duwt een uitbarsting van straling zijn stukjes weg. Dat stopt de voedselwaanzin en stelt een snelheidslimiet in voor de groei van zwarte gaten die wetenschappers de Eddington-limiet noemen. Maar het is een zacht plafond: een constante stofstroom zou mogelijk de uitstorting van straling kunnen overwinnen. Het is echter moeilijk voor te stellen om zo'n 'super-Eddington'-groei lang genoeg vol te houden om de beesten van Fan te verklaren - ze zouden ondenkbaar snel moeten groeien.

Of misschien kunnen zwarte gaten onwaarschijnlijk groot worden geboren. Gaswolken in het vroege heelal zijn mogelijk rechtstreeks ineengestort tot zwarte gaten die vele duizenden zonnen wegen en objecten voortbrengen die zware zaden worden genoemd. Dit scenario is ook moeilijk te verteren, omdat zulke grote, klonterige gaswolken zouden moeten uiteenvallen in sterren voordat ze een zwart gat vormen.

Een van de prioriteiten van JWST is om deze twee scenario's te evalueren door in het verleden te kijken en de zwakkere voorouders van Fan's sterrenstelsels te vangen. Deze voorlopers zouden niet echt quasars zijn, maar sterrenstelsels met wat kleinere zwarte gaten die op weg zijn om quasars te worden. Met JWST hebben wetenschappers de meeste kans om zwarte gaten te spotten die nog maar net zijn begonnen te groeien - objecten die jong genoeg en klein genoeg zijn om onderzoekers hun geboortegewicht te laten bepalen.

Dat is een van de redenen waarom een ​​groep astronomen met de Cosmic Evolution Early Release Science Survey, of CEERS, geleid door Dale Kocevski van Colby College, overuren begon te maken toen ze voor het eerst tekenen opmerkten van zulke jonge zwarte gaten die opdoken in de dagen na Kerstmis.

"Het is nogal indrukwekkend hoeveel van deze er zijn", schreef Jeyhan Kartaltepe, een astronoom aan het Rochester Institute of Technology, tijdens een discussie over Slack.

"Veel kleine verborgen monsters," antwoordde Kocevski.

Een groeiende menigte monsters

In de CEERS-spectra sprongen een paar sterrenstelsels er meteen uit als mogelijk verborgen baby-zwarte gaten - de kleine monsters. In tegenstelling tot hun meer vanilleachtige broers en zussen, straalden deze sterrenstelsels licht uit dat niet arriveerde met slechts één heldere tint voor waterstof. In plaats daarvan werd de waterstoflijn uitgesmeerd of verbreed tot een reeks tinten, wat aangeeft dat sommige lichtgolven werden geplet toen ronddraaiende gaswolken versnelden richting JWST (net zoals een naderende ambulance een aanzwellend gehuil uitstraalt terwijl de geluidsgolven van de sirene worden gecomprimeerd) terwijl andere golven werden uitgerekt terwijl wolken wegvlogen. Kocevski en zijn collega's wisten dat zwarte gaten zo'n beetje het enige object waren dat in staat was waterstof zo rond te slingeren.

"De enige manier om de brede component van het gas in een baan om het zwarte gat te zien, is als je recht door de loop van de melkweg kijkt en recht in het zwarte gat," zei Kocevski.

Eind januari was het CEERS-team erin geslaagd om een ​​preprint te maken met een beschrijving van twee van de 'verborgen kleine monsters', zoals ze ze noemden. Vervolgens begon de groep systematisch een grotere strook van de honderden sterrenstelsels te bestuderen die door hun programma waren verzameld om te zien hoeveel zwarte gaten er precies waren. Maar ze werden slechts enkele weken later door een ander team onder leiding van Yuichi Harikane van de Universiteit van Tokio binnengehaald. De groep van Harikane doorzocht 185 van de meest afgelegen CEERS-stelsels en gevonden 10 met brede waterstoflijnen - het waarschijnlijke werk van centrale zwarte gaten met een massa van een miljoen zonne-energie bij roodverschuivingen tussen 4 en 7. Vervolgens, in juni, een analyse van twee andere onderzoeken onder leiding van Jorry Matthee van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie Zürich identificeerde er nog 20 "kleine rode stippen” met brede waterstoflijnen: zwarte gaten die draaien rond roodverschuiving 5. Een analyse geplaatst begin augustus kondigde nog een dozijn aan, waarvan er enkele misschien zelfs aan het groeien zijn door fusie.

'Ik heb zo lang op deze dingen gewacht', zei Volonteri. "Het was ongelooflijk."

Maar weinig astronomen anticipeerden op het enorme aantal sterrenstelsels met een groot, actief zwart gat. De babyquasars in het eerste jaar van waarnemingen van JWST zijn talrijker dan wetenschappers hadden voorspeld op basis van de telling van volwassen quasars - tussen 10 keer en 100 keer overvloediger.

"Het is verrassend voor een astronoom dat we er een orde van grootte of zelfs meer naast zaten", zei Eilers, die heeft bijgedragen aan het paper met kleine rode stippen.

"Het voelde altijd alsof deze quasars bij een hoge roodverschuiving slechts het topje van de ijsberg waren", zegt Stéphanie Juneau, een astronoom bij het NOIRLab van de National Science Foundation en een co-auteur van de paper over kleine monsters. "Misschien ontdekken we dat deze [zwakkere] populatie daaronder zelfs groter is dan alleen de gewone ijsberg."

Deze twee gaan naar bijna 11

Maar om een ​​glimp op te vangen van de beesten in hun kinderschoenen, weten astronomen dat ze veel verder moeten gaan dan roodverschuivingen van 5 en dieper in de eerste miljard jaar van het universum moeten kijken. Onlangs hebben verschillende teams zwarte gaten gespot die zich voeden op werkelijk ongekende afstanden.

In maart, een CEERS-analyse onder leiding van Rebecca Larson, een astrofysicus aan de Universiteit van Texas, Austin, ontdekte een brede waterstoflijn in een sterrenstelsel met een roodverschuiving van 8.7 (0.57 miljard jaar na de oerknal), waarmee een nieuw record werd gevestigd voor het meest verre actieve zwarte gat dat ooit is ontdekt.

Maar het record van Larson viel slechts een paar maanden later, nadat astronomen met de JADES-samenwerking (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) het spectrum van GN-z11 in handen kregen. Bij een roodverschuiving van 10.6 bevond GN-z11 zich op de zwakste rand van het zicht van de Hubble Ruimtetelescoop en wetenschappers stonden te popelen om het met scherpere ogen te bestuderen. In februari had JWST meer dan 10 uur besteed aan het observeren van GN-z11, en onderzoekers konden meteen zien dat de melkweg een vreemde eend in de bijt was. Zijn overvloed aan stikstof was "helemaal uit de maling", zei Jan Scholtz, een JADES-lid aan de Universiteit van Cambridge. Het zien van zoveel stikstof in een jong sterrenstelsel was als het ontmoeten van een 6-jarige met een schaduw van vijf uur, vooral wanneer de stikstof werd vergeleken met de magere zuurstofvoorraden van de melkweg, een eenvoudiger atoom dat sterren als eerste zouden moeten samenstellen.

De JADES-samenwerking volgde begin mei met nog zo'n 16 JWST-observatie-uren. De aanvullende gegevens verscherpten het spectrum en onthulden dat twee zichtbare tinten stikstof extreem ongelijk waren - een heldere en een zwakke. Het patroon, zei het team, gaf aan dat GN-z11 vol was met dichte gaswolken geconcentreerd door a angstaanjagende zwaartekracht.

"Toen realiseerden we ons dat we recht in de accretieschijf van het zwarte gat staarden", zei Scholtz. Die toevallige uitlijning verklaart waarom het verre sterrenstelsel in de eerste plaats helder genoeg was voor Hubble om te zien.

Extreem jonge, hongerige zwarte gaten zoals GN-z11 zijn de exacte objecten waarvan astrofysici hoopten dat ze het dilemma zouden oplossen van hoe Fan's quasars ontstonden. Maar in een twist blijkt dat zelfs de overtreffende trap GN-z11 niet jong genoeg of klein genoeg is voor onderzoekers om definitief zijn geboortemassa te bepalen.

"We moeten beginnen met het detecteren van massa's van zwarte gaten met een veel hogere roodverschuiving, zelfs dan 11", zei Scholtz. "Ik had geen idee dat ik dit een jaar geleden zou zeggen, maar hier zijn we dan."

Een hint van zwaarte

Tot die tijd nemen astronomen hun toevlucht tot subtielere trucs voor het vinden en bestuderen van pasgeboren zwarte gaten, trucs zoals het bellen van een vriend - of een andere vlaggenschip-ruimtetelescoop - voor hulp.

Begin 2022 begonnen Volonteri, Tremblay en hun medewerkers NASA's Chandra X-ray Observatory periodiek te richten op een cluster van sterrenstelsels waarvan ze wisten dat die op de shortlist van JWST zou staan. Het cluster werkt als een lens. Het buigt het weefsel van ruimte-tijd en vergroot de verder weg gelegen sterrenstelsels erachter. Het team wilde zien of een van die achtergrondstelsels röntgenstralen uitspuugde, een traditioneel visitekaartje van een vraatzuchtig zwart gat.

In de loop van een jaar staarde Chandra twee weken lang naar de kosmische lens - een van de langste observatiecampagnes tot nu toe - en verzamelde 19 röntgenfotonen afkomstig van een sterrenstelsel genaamd UHZ1, op een roodverschuiving van 10.1. Die 19 fotonen met een hoog octaangehalte kwamen hoogstwaarschijnlijk uit een groeiend zwart gat dat minder dan een half miljard jaar na de oerknal bestond, waardoor het verreweg de meest verre röntgenbron is die ooit is gedetecteerd.

Door de JWST- en Chandra-gegevens te combineren, leerde de groep iets vreemds - en informatief. In de meeste moderne sterrenstelsels bevindt bijna alle massa zich in de sterren, met minder dan een procent of zo in het centrale zwarte gat. Maar in UHZ1 lijkt de massa gelijkmatig verdeeld tussen de sterren en het zwarte gat - wat niet het patroon is dat astronomen hadden verwacht voor super-Eddington-accretie.

Een meer plausibele verklaring stelde het team voor, is dat het centrale zwarte gat van UHZ1 werd geboren toen een gigantische wolk samenklonterde tot een gigantisch zwart gat, waardoor er weinig gas achterbleef om sterren te maken. Deze waarnemingen "zou consistent kunnen zijn met een zwaar zaad", zei Tremblay. Het is "gek om na te denken over deze gigantische, gigantische gasballen die gewoon instorten."

Het is een universum met een zwart gat

Sommige van de specifieke bevindingen van de gekke spectra-scramble van de afgelopen maanden zullen ongetwijfeld veranderen naarmate de onderzoeken door vakgenoten worden beoordeeld. Maar de algemene conclusie - dat het jonge universum extreem snel een groot aantal gigantische, actieve zwarte gaten heeft voortgebracht - zal waarschijnlijk blijven bestaan. De quasars van Fan moesten tenslotte ergens vandaan komen.

"De exacte aantallen en de details van elk object blijven onzeker, maar het is zeer overtuigend dat we een grote populatie aangroeiende zwarte gaten vinden", zei Eilers. "JWST heeft ze voor het eerst onthuld, en dat is heel spannend."

Voor specialisten in zwarte gaten is het een openbaring die al jaren broeit. Recente studies van rommelige adolescente sterrenstelsels in het moderne universum liet doorschemeren dat actieve zwarte gaten in jonge sterrenstelsels over het hoofd werden gezien. En theoretici hebben het moeilijk gehad omdat hun digitale modellen voortdurend universums produceerden met veel meer zwarte gaten dan astronomen in het echte universum zagen.

"Ik heb altijd gezegd dat mijn theorie fout is en observatie juist is, dus ik moet mijn theorie corrigeren", zei Volonteri. Maar misschien wees de discrepantie niet op een probleem met de theorie. 'Misschien werd er geen rekening gehouden met deze kleine rode stippen,' zei ze.

Nu laaiende zwarte gaten meer blijken te zijn dan alleen kosmische cameo's in een volwassen wordend universum, vragen astrofysici zich af of het herschikken van de objecten in vleziger theoretische rollen andere hoofdpijn zou kunnen verlichten.

Na enkele van de eerste beelden van JWST te hebben bestudeerd, wezen sommige astronomen er al snel op dat dit zeker was sterrenstelsels leek onmogelijk zwaar, gezien hun jeugd. Maar in sommige gevallen zou een verblindend helder zwart gat ertoe kunnen leiden dat onderzoekers het gewicht van de omringende sterren overschatten.

Een andere theorie die mogelijk moet worden aangepast, is de snelheid waarmee sterrenstelsels sterren voortbrengen, wat vaak te hoog is in simulaties van sterrenstelsels. Kocevski speculeert dat veel sterrenstelsels een verborgen-monsterfase doormaken die een vertraging van de stervorming veroorzaakt; ze beginnen in een cocon in stervormend stof, en dan wordt hun zwarte gat krachtig genoeg om het sterrenmateriaal in de kosmos te verspreiden, waardoor de vorming van sterren wordt vertraagd. "Misschien kijken we naar dat scenario in het spel," zei hij.

Terwijl astronomen de sluier van het vroege universum oplichten, zijn er meer academische ingevingen dan concrete antwoorden. Hoewel JWST de manier waarop astronomen over actieve zwarte gaten denken al aan het veranderen is, weten onderzoekers dat de kosmische vignetten die dit jaar door de telescoop zijn onthuld slechts anekdotes zijn in vergelijking met wat komen gaat. Waarnemingscampagnes zoals JADES en CEERS hebben tientallen waarschijnlijke zwarte gaten gevonden die naar hen terugstaren vanuit splinters van de lucht die ongeveer een tiende van de grootte van de volle maan zijn. Er wachten nog veel meer baby-zwarte gaten op de aandacht van de telescoop en zijn astronomen.

"Al deze vooruitgang is geboekt in de eerste negen tot twaalf maanden", zei Saxena. "Nu hebben we [JWST] voor de komende negen of tien jaar."