Persbericht

Wat maakt een superzwaar zwart gat actief?

Botsende sterrenstelsels zijn niet de oorzaak, zelfs niet in het propvolle jonge heelal

13 juli 2011

Nieuw onderzoek, gebaseerd op gegevens van ESO’s Very Large Telescope en ESA’s XMM-Newton röntgensatelliet, heeft een grote verrassing opgeleverd. De meeste kolossale zwarte gaten in de kernen van sterrenstelsels zijn de afgelopen 11 miljard jaar niet geactiveerd door het samengaan van sterrenstelsels, zoals tot nu toe werd gedacht.

In het hart van de meeste, zo niet alle, grote sterrenstelsels schuilt een superzwaar zwart gat met een massa die miljoenen, soms zelfs miljarden keren zo groot is als de massa van de zon. In veel stelsels, waaronder ook ons eigen Melkwegstelsel, houdt het centrale zwarte gat zich rustig. Maar in sommige stelsels, met name vroeg in de geschiedenis van ons heelal [1], doet het centrale monster zich te goed aan materiaal dat intense straling afgeeft terwijl het in het zwarte gat valt.

Een van de onopgeloste raadsels is waar het materiaal dat een slapend zwart gat activeert, en hevige uitbarstingen in de kern van zijn sterrenstelsel veroorzaakt, vandaan komt. Tot nu toe dachten veel astronomen dat de meeste van deze zogeheten actieve kernen op gang zijn gekomen door het samengaan van sterrenstelsels die elkaar dicht waren genaderd. Door zo’n fusie zou de aanwezige materie zodanig in beroering komen, dat er een toevoer van verse brandstof naar het centrale zwarte gat ontstaat. Nieuwe resultaten wijzen er echter op dat dit scenario voor veel actieve stelsels niet klopt.

Viola Allevato (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik; Excellence Cluster Universe, Garching, Duitsland) en een internationaal team van wetenschappers die samenwerken in het COSMOS-initiatief [2] hebben meer dan zeshonderd van deze actieve stelsels, die zich in een hemelgebied bevinden dat bekendstaat als het COSMOS-veld [3], heel nauwkeurig bekeken. Zoals verwacht bleek daaruit dat extreem heldere actieve kernen schaars waren – het leeuwendeel van de actieve stelsels in de afgelopen 11 miljard jaar was slechts matig helder. Maar er was een grote verrassing: de nieuwe gegevens lieten zien dat de grote meerderheid van deze normalere, minder heldere actieve stelsels niet is geactiveerd door het samengaan van sterrenstelsels [4]. Deze resultaten zullen verschijnen in The Astrophysical Journal.

De actieve kernen werden opgespoord aan de hand van de röntgenstraling uit de omgeving van het zwarte gat, zoals die werd opgevangen door ESA’s röntgensatelliet XMM-Newton. De betreffende stelsels werden vervolgens waargenomen met ESO’s Very Large Telescope, die in staat was om de afstanden tot de stelsels te meten [5]. In combinatie stelden deze waarnemingen het onderzoeksteam in staat om een kaart te maken van de ruimtelijke posities van de actieve stelsels.

‘Het heeft meer dan vijf jaar gekost, maar leverde wel een van de grootste en meest volledige inventarisaties van actieve stelsels aan de röntgenhemel op,’ zegt Marcella Brusa, een van de auteurs van het onderzoek.

De astronomen konden deze nieuwe driedimensionale kaart gebruiken om vast te stellen hoe de actieve stelsels verdeeld waren en dit resultaat te vergelijken met theoretische voorspellingen. Ook konden zij zien hoe hun verdeling in de loop van de geschiedenis van het heelal – van 11 miljard geleden tot zo ongeveer nu – is veranderd.

Het team ontdekte dat actieve kernen meestal te vinden zijn in grote, zware sterrenstelsels die veel donkere materie bevatten [6]. Dat was verrassend en in strijd met wat theoretisch werd verwacht – als de meeste actieve kernen het gevolg zouden zijn van botsingen en samensmeltingen van sterrenstelsels, werd verwacht dat ze vooral te vinden zouden zijn in sterrenstelsels van gemiddelde massa (ongeveer een biljoen zonsmassa’s). Het team stelde echter vast dat de meeste actieve kernen deel uitmaken van stelsels die ongeveer twintig keer zo zwaar zijn als de waarde die door de samensmeltingstheorie wordt voorspeld.

‘Deze nieuwe resultaten geven ons nieuw inzicht in de wijze waarop superzware zwarte gaten aan hun maaltijden beginnen,’ zegt Viola Allevato, die de hoofdauteur van het nieuwe artikel is. ‘Ze wijzen erop dat zwarte gaten doorgaans worden gevoed door processen binnen het stelsel zelf, zoals schijfinstabiliteiten en stellaire geboortegolven, en niet door galactische botsingen.’

Alexis Finoguenov, die de supervisie over het onderzoek had, concludeert: ‘Zelfs in het verre verleden, tot bijna 11 miljard jaar geleden, kunnen galactische botsingen slechts een klein percentage van de matig heldere actieve stelsels verklaren. Dat in die tijd de onderlinge afstanden tussen sterrenstelsels kleiner waren, waardoor meer botsingen optraden dan nu, maakt de nieuwe resultaten des te verrassender.’

Noten

[1] Getalsmatig waren de helderste actieve stelsels drie tot vier miljard jaar na de oerknal op hun hoogtepunt. De minder heldere objecten piekten later: ongeveer acht miljard jaar na de oerknal.

[2] Het nieuwe onderzoek is gebaseerd op twee omvangrijke Europese astronomische programma’s: de XMM-Newton-survey van het COSMOS-veld, onder leiding van professor Günther Hasinger, en ESO’s zCOSMOS, onder leiding van professor Simon Lilly. Deze onderzoeksprogramma’s maken deel uit van het COSMOS-initiatief, een internationale inspanning om een specifiek hemelgebied te bestuderen met de Hubble-ruimtetelescoop (NASA/ESA), de röntgensatellieten XMM-Newton (ESA) en Chandra (NASA), de infraroodsatelliet Spitzer (NASA) en verscheidene telescopen op aarde, waaronder ESO’s Very Large Telescope.

[3] Het COSMOS-veld is een hemelgebied, ongeveer tien keer zo groot als de Volle Maan, in het sterrenbeeld Sextant. Het is met tal van telescopen op verschillende golflengten in kaart gebracht, wat een schat aan gegevens heeft opgeleverd waar allerlei onderzoeken gebruik van kunnen maken.

[4] Uit onderzoek met de NASA/ESA Hubble-ruimtelescoop dat vorig jaar is gepubliceerd (heic1101) was al gebleken dat er bij relatief nabije stelsels geen duidelijk verband bestaat tussen actieve kernen en samensmeltende stelsels. Bij dat onderzoek is tot ongeveer acht miljard jaar in het verleden gekeken; het nieuwe onderzoek gaat nog drie miljard jaar verder terug in de tijd, toen sterrenstelsels nóg dichter opeengepakt zaten.

[5] Het team gebruikte een spectrograaf van de VLT om het zwakke licht van de sterrenstelsels in zijn samenstellende kleuren te splitsen. Nauwkeurige analyse stelde de onderzoekers in staat om de roodverschuiving van de stelsels te bepalen: de mate waarin hun licht sinds het moment van uitzenden is uitgerekt door de uitdijing van het heelal. Hoe sterker deze uitrekking, des te groter de afstand. Doordat licht een eindige snelheid heeft, kunnen we daaruit ook afleiden hoe ver in het verleden we deze verre objecten waarnemen.

[6] Donkere materie is een mysterieuze substantie die een onzichtbare component vormt van de meeste, zo niet alle, sterrenstelsels (actief of niet) – inclusief ons eigen Melkwegstelsel. De auteurs hebben uit de verdeling van de sterrenstelsels in het nieuwe onderzoek voor elk van de stelsels een schatting gemaakt van de hoeveelheid donkere materie, die een indicatie geeft van de totale massa.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek worden in juli 2011 gepubliceerd in The Astrophysical Journal.

Het onderzoeksteam bestaat uit V. Allevato (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik [IPP]; Excellence Cluster Universe, Garching, Duitsland), A. Finoguenov (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik [MPE], Garching, Duitsland en de Universiteit van Maryland, Baltimore, VS), N. Cappelluti (INAF-Osservatorio Astronomico de Bologna [INAF-OA], Italië en de Universiteit van Maryland, Baltimore, VS), T. Miyaji (Universidad Nacional Autonoma de Mexico, Ensenada, Mexico en de Universiteit van Californië in San Diego, VS), G. Hasinger (IPP), M. Salvato (IPP, Excellence Cluster Universe, Garching, Duitsland), M. Brusa (MPE), R. Gilli (INAF-OA), G. Zamorani (INAF-OA), F. Shankar (Max-Planck-Institut für Astrophysik [MPA], Garching, Duitsland), J.B. James (Universiteit van Californië in Berkeley, VS en de Universiteit van Kopenhagen, Denemarken), H. J. McCracken (Observatoire de Paris, Frankrijk), A. Bongiorno (MPE), A. Merloni (Excellence Cluster Universe en MPE), J.A. Peacock (Universiteit van Californië in Berkeley), J. Silverman (Universiteit van Tokio, Japan) en A. Comastri (INAF-OA).

ESO, de Europese Zuidelijke Sterrenwacht, is de belangrijkste intergouvernementele sterrenkundeorganisatie in Europa, en het meest productieve astronomische observatorium ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerp, de bouw en het beheer van krachtige grondobservatoria die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. ESO speelt ook een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op sterrenkundig gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. Ook is ESO de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste sterrenkundige project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de Europese Extremely Large optische/nabij-infrarood Telescoop (E-ELT), een telescoop van de 40-meterklasse die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.

Links

• Onderzoeksartikel
• Foto's van de VLT
• Link naar Hubble-persbericht (heic1101)
• Link om in te zoomen op het COSMOS-veld

Contact

Dr Alexis Finoguenov
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Garching, Germany
Tel: +49 89 30000 3644
E-mail: alexis@mpe.mpg.de

Viola Allevato
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik; Excellence Cluster Universe
Garching, Germany
Tel: +49 89 3299 1558
E-mail: viola.allevato@ipp.mpg.de

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey Telescopes Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6655
E-mail: rhook@eso.org

Rodrigo Alvarez (press contact België)
ESO Science Outreach Network en Planetarium, Royal Observatory of Belgium
Tel: +32-2-474 70 50
E-mail: eson-belgië@eso.org

Connect with ESO on social media

Dit is een vertaling van ESO-persbericht eso1124.