Astronomer har hittat enorma svarta hål från en tid då universum fortfarande var mycket ungt. Det skapar ett uppenbart problem: om de började som små rester efter döda stjärnor borde de helt enkelt inte ha hunnit växa sig så stora. En ny Nature-studie visar nu hur universum kan ha tagit en genväg, genom att skapa mycket stora svarta hål redan från början och sedan låta dem växa extremt snabbt.

Supermassiva svarta hål finns i centrum av nästan alla stora galaxer vi känner till. Vintergatan har ett sådant i Sagittarius A*, med en massa på omkring fyra miljoner solar.

Andra är betydligt större. De största kända väger miljarder eller till och med tiotals miljarder gånger mer än solen.

I dagens universum är det inte särskilt svårt att föreställa sig hur ett svart hål under miljarder år kan växa till extrema proportioner. Det kan sluka gas, slå samman med andra svarta hål och följa med när galaxer kolliderar.

Problemet uppstår när astronomerna tittar långt bort och därmed långt bakåt i tiden.

James Webb-teleskopet har hittat tecken på mycket massiva svarta hål redan under universums första miljard år. Några av dem tycks ha vuxit sig enorma innan galaxerna omkring dem ens hade hunnit bygga upp särskilt många stjärnor.

Då räcker den enkla förklaringen inte riktigt till.

Vad är ett supermassivt svart hål?

Ett svart hål är ett område där gravitationen är så stark att inte ens ljus kan ta sig ut innanför den så kallade händelsehorisonten.

Svarta hål brukar delas in efter massa.

Stellära svarta hål bildas när massiva stjärnor kollapsar och kan väga från några få till tiotals eller ibland hundratals solmassor.

I den andra änden finns supermassiva svarta hål, som kan väga från miljontals till miljarder solmassor och normalt finns i galaxernas centrum.

Mellan dessa finns en betydligt mer svårfångad grupp av mellanstora svarta hål.

Det stora mysteriet är inte att supermassiva svarta hål existerar i dag. Universum är omkring 13,8 miljarder år gammalt och har haft gott om tid att bygga stora strukturer.

Frågan är hur jättarna kunde dyka upp så tidigt.

Problemet: de borde inte ha hunnit bli så stora

Den enklaste modellen börjar med universums första stjärnor.

När några av dessa dog kunde de lämna svarta hål efter sig. Ett sådant svart hål kanske vägde tiotals eller hundratals gånger så mycket som solen.

Därefter kunde det börja äta.

Gas faller mot det svarta hålet, bildar en het skiva runt det och försvinner så småningom innanför händelsehorisonten. På det sättet växer hålets massa.

Men det finns ett problem.

Ju snabbare ett svart hål äter, desto mer energi frigörs från materialet runt det. Den heta gasen kan lysa enormt starkt och strålningen pressar tillbaka mot den nya gas som försöker falla in.

Till slut uppstår ungefär en balans mellan gravitationen som drar material inåt och strålningen som pressar det utåt.

Detta brukar beskrivas med Eddingtongränsen.

Det är ingen absolut hastighetsgräns för ett svart hål, men den ger en bra bild av hur snabbt ett svart hål normalt kan växa under stabila förhållanden.

Från 100 solar till en miljard tar väldigt lång tid

Vid kontinuerlig tillväxt nära Eddingtongränsen och vanliga antaganden om hur effektivt infallande materia omvandlas till strålning ökar ett svart håls massa med ungefär en faktor e på cirka 45 miljoner år.

Det kan låta snabbt.

Men för att gå från ett litet svart hål till ett riktigt monster krävs många sådana tillväxtperioder.

Startmassa	Slutmassa	Ungefärlig tillväxttid
100 solmassor	1 miljard solmassor	cirka 725 miljoner år
1 000 solmassor	1 miljard solmassor	cirka 620 miljoner år
100 000 solmassor	1 miljard solmassor	cirka 415 miljoner år
1 miljon solmassor	1 miljard solmassor	cirka 310 miljoner år

Och klockan började inte ticka vid Big Bang.

Först skulle universum svalna. De första strukturerna skulle bildas. Gas skulle samlas i mörk materia-halon. De första stjärnorna skulle födas och sedan hinna dö innan deras svarta hål kunde börja växa.

Dessutom förutsätter beräkningen nästan perfekta förhållanden där hålet får ett konstant inflöde av gas under hundratals miljoner år.

I verkligheten kan supernovor, strålning, stjärnbildning och andra processer blåsa bort eller värma upp gasen.

Det är därför ett svart hål på miljarder solmassor under universums första miljard år blir så svårt att förklara om allt börjar med en vanlig stjärnrest.

Lösningen kan vara att aldrig börja litet

En väg runt problemet är nästan självklar när man ser siffrorna.

Om det tar för lång tid att gå från 100 solmassor till en miljard kan universum i stället ha börjat med ett svart hål på 100 000 eller en miljon solmassor.

Sådana objekt brukar kallas tunga frön.

Den stora frågan har varit hur ett så massivt frö över huvud taget skulle kunna bildas.

En ny studie publicerad i Nature den 16 september 2026 visar en möjlig väg i avancerade simuleringar av det unga universum.

Forskarna lyckas där följa en kedja som börjar långt före det färdiga svarta hålet.

Och en av nycklarna visar sig vara strålning från en närliggande galax.

Vanlig stjärnbildning måste först stoppas

Gas som kollapsar under sin egen gravitation brukar kylas ned.

När gasen kyls kan den splittras upp i mindre klumpar som sedan bildar vanliga stjärnor.

I universums första gasmoln spelar molekylärt väte, H₂, en viktig roll för den processen.

I simuleringen finns däremot en närliggande galax som producerar mycket kraftig ultraviolett strålning. Denna strålning kan bryta ned molekylärt väte.

Därmed blir det svårare för gasen att kylas på vanligt sätt.

I stället för att omedelbart brytas upp i mängder av mindre stjärnor kan en mycket större mängd gas fortsätta samlas i samma område.

Under tiden växer strukturen runt gasen.

Till slut blir systemet så massivt att atomärt väte kan bidra till kylningen och en våldsam kollaps sätter igång.

Men förutsättningarna är då helt annorlunda än vid vanlig stjärnbildning.

Stjärnor på hundratusentals solmassor

I Nature-simuleringen strömmar enorma mängder gas mot centrum.

Protostjärnor kan matas med ungefär 0,1 till 1 solmassa per år.

Det är extrema nivåer.

Några av stjärnorna växer till flera hundratusen gånger solens massa.

De fungerar dessutom annorlunda än vanliga massiva stjärnor. Den snabba tillförseln av material kan hålla dem uppsvällda och förhållandevis svala vid ytan.

Det är viktigt eftersom de då inte producerar lika mycket av den hårda ultravioletta strålning som annars skulle kunna värma upp och blåsa bort gasen runt dem.

Matningen kan fortsätta.

Efter ungefär ett par miljoner år kollapsar de extremt massiva stjärnorna.

Kvar blir inte ett svart hål på kanske 30 eller 100 solmassor.

Det kan bli ett svart hål med omkring en miljon solmassor.

Plötsligt har universum hoppat över en stor del av den långsamma tillväxten.

Sedan kan hålet växa snabbare än Eddingtongränsen

Ett stort frö räcker långt, men den nya studien innehåller ytterligare en viktig del.

Det nybildade svarta hålet befinner sig fortfarande mitt i en extremt tät gasmiljö.

Där kan något som kallas super-Eddington-ackretion inträffa.

Eddingtongränsen bygger förenklat på att strålningen från materialet runt det svarta hålet kan ta sig ut och trycka på den gas som försöker falla in.

Men i en mycket tät gas kan strålningen få svårt att komma ut.

Fotoner kan fastna i det infallande materialet och följa med inåt i stället för att effektivt pressa bort ny gas.

Under sådana förhållanden kan materia under kortare perioder falla in betydligt snabbare än den klassiska Eddingtontakten.

I simuleringen sker perioder med flera till tiotals gånger den normala gränsen.

På mindre än en miljon år kan de svarta hålen därför växa ytterligare kraftigt.

Senare når de massor på över tio miljoner solar.

Forskarna får alltså fram två genvägar efter varandra:

Först bildas ett mycket stort svart hål från början. Sedan följer en kort period av extremt snabb tillväxt.

Det förändrar hela tidsproblemet.

Vad har James Webbs ”little red dots” med saken att göra?

James Webb-teleskopet har under de senaste åren hittat en märklig population av små och mycket kompakta röda objekt i det unga universum.

De brukar kallas little red dots.

Namnet är ganska bokstavligt. På Webbs bilder ser de ut som små röda prickar.

Men bakom den enkla beskrivningen finns ett av den moderna astronomins stora frågetecken.

Många av objekten visar tecken på aktivitet som kan komma från snabbt växande svarta hål. Samtidigt har deras egenskaper inte passat helt enkelt in i bilden av vanliga aktiva galaxkärnor.

Den nya Nature-studien blir särskilt intressant eftersom de simulerade svarta hålen naturligt går igenom en fas som liknar dessa little red dots.

Ett svart hål gömt i tät gas

När det svarta hålet växer som snabbast omges det av mycket tät gas.

Systemet blir kompakt och kraftigt inbäddat.

Strålning från området runt det svarta hålet måste ta sig genom denna gas innan den når ut i rymden.

Det påverkar hur objektet ser ut för ett teleskop.

I simuleringen uppstår flera av de egenskaper som astronomer faktiskt ser hos little red dots, bland annat ett rött ljusspektrum och breda spektrallinjer från väte.

Fasen är däremot kort.

Forskarna uppskattar att ett snabbt växande svart hål kan se ut på detta sätt under ungefär 100 000 till en miljon år innan miljön förändras och objektet börjar likna en mer traditionell aktiv galaxkärna.

Om modellen stämmer kan åtminstone en del little red dots vara något mycket speciellt:

unga supermassiva svarta hål som astronomerna råkar se mitt under deras extrema tillväxtfas.

Det betyder inte att alla little red dots nu är förklarade. Forskarna diskuterar fortfarande vad hela populationen består av och det kan finnas flera typer av objekt som ser likartade ut med dagens observationer.

Ett svart hål som är större än sin egen galax

Ett av de mest extrema exemplen på problemet är objektet Abell 2744-QSO1.

Observationer med James Webb och hjälp av gravitationslinsning har gjort det möjligt att studera objektet från en tid omkring 700 miljoner år efter Big Bang.

Det centrala svarta hålet uppskattas väga omkring 50 miljoner solmassor.

Det märkliga är vad som finns runt omkring.

Den observerade stjärnmassan i värdgalaxen har uppskattats till mindre än omkring 20 miljoner solmassor.

Det innebär att det svarta hålet kan väga mer än alla stjärnor i galaxen tillsammans.

I det moderna universum finns ett tydligt samband mellan galaxer och deras centrala svarta hål. Galaxens stjärnor dominerar normalt massan med mycket stor marginal.

QSO1 pekar mot att förhållandet kan ha sett helt annorlunda ut i början.

Kanske kom det svarta hålet först.

Galaxen byggdes sedan upp runt det.

Måste alla supermassiva svarta hål bildas på samma sätt?

Nej.

Det är en viktig del av forskningsläget.

Astronomerna arbetar med flera möjliga vägar och det finns ingen anledning att utgå från att universum bara använde en av dem.

Lätta frön från de första stjärnorna

Den klassiska modellen är fortfarande levande.

Universums första generation stjärnor, Population III, kunde vara betydligt massivare än många stjärnor som bildas i dag.

När de dog kunde de lämna svarta hål efter sig.

Nya simuleringar har visat att även relativt lätta frön under gynnsamma omständigheter kan växa snabbare än äldre modeller antytt.

Problemet kvarstår ändå för de allra största och tidigaste objekten.

Ju mindre fröet är, desto mer extrem måste den fortsatta tillväxten bli.

Direkt kollaps och supermassiva stjärnor

Den nya Nature-studien stärker i stället modeller där stora mängder gas undviker vanlig stjärnbildning och snabbt skapar en supermassiv stjärna eller liknande extrem struktur.

När den kollapsar kan det svarta hålet redan från början väga från tiotusentals till omkring en miljon solmassor.

Det ger mycket mer tid till den fortsatta utvecklingen.

Täta stjärnhopar

En annan möjlighet är mycket täta ansamlingar av stjärnor.

I en tillräckligt tät stjärnhop kan stjärnor och mindre svarta hål kollidera och slå samman.

På det sättet kan ett större svart hål byggas upp snabbare än genom vanlig gasackretion ensam.

Svarta hål kan också slå samman

När galaxer växer och kolliderar kan deras centrala svarta hål till slut mötas.

Två svarta hål kan då bilda ett binärt system och så småningom slå samman till ett större.

Det är en viktig tillväxtmekanism över kosmisk tid, även om den ensam har svårt att förklara hur de allra första stora fröna bildades.

Primordiala svarta hål

Det finns också en mer exotisk möjlighet.

Så kallade primordiala svarta hål skulle inte ha bildats från stjärnor alls, utan från extrema täthetsvariationer mycket tidigt efter Big Bang.

Om tillräckligt stora sådana objekt hade funnits skulle de kunna ge supermassiva svarta hål ett enormt försprång.

Detta är dock en betydligt mer spekulativ förklaring och det finns i dag inget etablerat observationsbevis för att den behövs för att förklara de tidiga supermassiva svarta hålen.

Har mysteriet nu lösts?

Inte riktigt.

Den nya studien löser en mycket viktig del av problemet: den visar i en detaljerad kosmologisk simulering hur förhållandena i det unga universum naturligt kan skapa mycket tunga svarta hålsfrön och hur dessa sedan snabbt kan växa.

Det är ett stort steg.

Men simuleringen följer inte hela vägen till de mest extrema kända kvasarerna på en miljard solmassor eller mer.

För att nå dit måste det svarta hålet även efter den första explosiva fasen få tillgång till stora mängder gas under lång tid.

Det är inte självklart.

Ett aktivt svart hål påverkar sin omgivning kraftigt. Strålning, vindar och jetstrålar kan värma upp eller kasta ut gas som annars hade kunnat bli ny föda.

Samtidigt kan galaxens tillväxt och inflöden av kall gas fylla på förrådet.

Exakt hur denna balans såg ut i de första galaxerna är fortfarande en öppen fråga.

Nature-studien bör därför inte ses som bevis för att forskarna nu har hittat den enda förklaringen.

Den visar något mer konkret:

Universum verkar ha haft en fysisk väg för att skapa mycket stora svarta hål betydligt snabbare än den gamla bilden med en liten stjärnrest som långsamt växer under hundratals miljoner år.

Nästa steg är att hitta de första fröna

James Webb har förändrat frågan från teori till observation.

Teleskopet ser längre tillbaka än tidigare instrument och hittar svarta hål och galaxer i epoker där de första stora strukturerna fortfarande höll på att byggas.

Ju längre tillbaka astronomerna kan nå, desto lättare blir det att skilja modellerna åt.

Om många tidiga galaxer visar sig innehålla svarta hål som är extremt stora jämfört med galaxernas stjärnmassa skulle det tala för att tunga frön spelade en viktig roll.

Om astronomerna i stället hittar en stor population mindre svarta hål som gradvis växer skulle det ge mer stöd åt modeller med lätta frön.

Framtida observationer kan också avslöja själva sammanslagningarna.

Rymdobservatoriet LISA är planerat för att registrera gravitationsvågor från bland annat massiva svarta hål som kolliderar.

Sådana signaler kan i framtiden berätta hur vanliga olika typer av frön var och hur snabbt de första svarta hålen byggdes upp.

Den verkliga genvägen var att börja stort

Det mest slående med mysteriet är att lösningen kanske inte kräver någon helt ny fysik.

Problemet uppstår framför allt om man antar att alla svarta hål måste börja som små rester efter vanliga stjärnor och därefter växa i ungefär den takt vi känner från mer normala miljöer.

Det unga universum var inte en normal miljö.

Gasdensiteterna kunde vara extrema. De första galaxerna låg tätt. Kraftig ultraviolett strålning kunde förändra hur gasen kyldes. Supermassiva stjärnor kunde uppstå och mycket stora mängder materia kunde sedan strömma mot nybildade svarta hål.

Under sådana förhållanden kan ett svart hål hoppa över flera hundra miljoner års långsam uppbyggnad.

Först föds det stort.

Sedan äter det extremt snabbt.

Och när James Webb tittar tillbaka mot universums första årmiljard kan vi mycket väl se resultatet av just den processen.