Persbericht

Superzwaar zwart gat verscholen in een ring van kosmisch stof

16 februari 2022

De Very Large Telescope Interferometer (VLTI) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) heeft in het centrum van het sterrenstelsel Messier 77 een wolk van kosmisch stof waargenomen die een superzwaar zwart gat aan het zicht onttrekt. De ontdekking bevestigt voorspellingen die zo’n dertig jaar geleden zijn gedaan en geeft astronomen nieuw inzicht in de ‘actieve galactische kernen’, die tot de helderste en meest raadselachtige objecten in het heelal behoren.

Actieve galactisch kernen (Engelse afkorting: AGNs) zijn extreem energetische bronnen, aangedreven door superzware zwarte gaten, die zich in het centrum van sommige sterrenstelsels bevinden. Deze zwarte gaten voeden zich met grote hoeveelheden kosmisch stof en gas. Voordat dit materiaal wordt opgeslokt, spiraalt het naar het zwarte gat, en daarbij komen enorme hoeveelheden energie vrij. Daardoor straalt een actieve kern vaak feller dan alle sterren in het omringende sterrenstelsel bij elkaar.

Al vanaf het moment dat ze deze heldere objecten in de jaren vijftig voor het eerst opmerkten, zijn astronomen nieuwsgierig naar AGNs. Dankzij ESO’s VLTI heeft een team van onderzoekers, onder leiding van Violeta Gámez Rosas van de Universiteit Leiden, nu een belangrijke stap gezet om te begrijpen hoe ze werken en hoe ze er van dichtbij uitzien. De resultaten zijn vandaag in Nature gepubliceerd.

Door buitengewoon gedetailleerde waarnemingen te doen van het centrum van het sterrenstelsel Messier 77, ook bekend als NGC 1068, hebben Gámez Rosas en haar team een dikke ring van kosmisch stof en gas ontdekt die een superzwaar zwart gat verbergt. De ontdekking levert cruciaal bewijs voor een dertig jaar oude theorie die het Unified Model of AGNs wordt genoemd.

Astronomen weten dat er verschillende soorten AGNs zijn. Sommige AGNs produceren bijvoorbeeld uitbarstingen van radiostraling en andere niet; en sommige AGNs zijn heldere bronnen van zichtbaar licht, terwijl andere – zoals Messier 77 – meer getemperd zijn. Het Uniform Model stelt dat alle AGNs – ondanks hun grote  onderlinge verschillen – dezelfde basisstructuur hebben: ze bestaan uit een superzwaar zwart gat, omgeven door een dikke ring van stof.

Volgens het model zijn de verschillende verschijningsvormen van AGNs simpelweg het gevolg van de hoek waaronder we het zwarte gat en de dikke ring vanaf de aarde waarnemen. Het soort AGN hangt af van de mate waarin de ring het zwarte gat aan het zicht onttrekt en in sommige gevallen zelfs helemaal verbergt.

Astronomen hebben al eerder aanwijzingen gevonden die het Uniform Model ondersteunen, zoals de ontdekking van warm stof in het centrum van Messier 77. Er bleven echter twijfels bestaan over de vraag of dit stof een zwart gat wel volledig kon verbergen, en dus kon verklaren waarom de ene AGN minder fel straalt dan de andere.

‘De ware aard van de stofwolken en hun rol bij zowel het voeden van het zwarte gat als het bepalen van hoe dit er vanaf de aarde uitziet, hebben de afgelopen drie decennia centraal gestaan bij AGN-onderzoeken,’ legt Gámez Rosas uit. ‘Hoewel geen enkel resultaat al onze vragen zal beantwoorden, hebben we nu een belangrijke stap gezet op weg naar een beter begrip van de werking van AGNs.’

De waarnemingen zijn mogelijk gemaakt dankzij het Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE), gekoppeld aan ESO’s VLTI in de Chileense Atacama-woestijn. MATISSE combineerde infraroodlicht dat werd opgevangen door alle vier de 8,2-meter telescopen van ESO’s Very Large Telescope (VLT) met behulp van een techniek die interferometrie wordt genoemd. Met MATISSE heeft het team het centrum van Messier 77, dat zich op 47 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Cetus (Walvis) bevindt, gescand.

‘MATISSE kan een breed scala van infrarode golflengten zien, waardoor we door het omringende stof heen kunnen kijken en nauwkeurige temperatuurmetingen  kunnen doen. Omdat de VLTI een zeer grote interferometer is, kunnen we precies zien wat er aan de hand is, zelfs in verre sterrenstelsels zoals Messier 77. De beelden die we hebben verkregen geven een gedetailleerd beeld van de veranderingen in temperatuur en absorptie van de stofwolken rond het zwarte gat,’ zegt medeauteur Walter Jaffe, hoogleraar aan de Universiteit Leiden.

Door de veranderingen in de temperatuur van het stof (van ongeveer kamertemperatuur tot circa 1200 °C), veroorzaakt door de intense straling van het zwarte gat, te combineren met de absorptiekaarten, heeft het team een gedetailleerd beeld van het stof opgebouwd en nauwkeurig vastgesteld waar het zwarte gat zich moet bevinden. Het stof – verdeeld over een dikke binnenring en een bredere schijf – met het zwarte gat in het centrum ervan ondersteunt het Uniform Model. Bij hun reconstructie hebben de onderzoekers ook gegevens van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, mede-eigendom van ESO, en de Very Long Baseline Array van het National Radio Astronomy Observatory gebruikt.

‘Onze resultaten moeten leiden tot een beter begrip van de inwendige werking van AGNs,’ concludeert Gámez Rosas. ‘Ze kunnen ons ook helpen de geschiedenis van ons Melkwegstelsel beter te begrijpen, dat in zijn centrum een superzwaar zwart gat herbergt dat in het verleden actief kan zijn geweest.’ 

De onderzoekers willen nu ESO’s VLTI inzetten om meer ondersteunend bewijs te vinden voor het Uniform Model, door een grotere steekproef van sterrenstelsels te onderzoeken.

Teamlid Bruno Lopez, MATISSE-hoofdonderzoeker aan het Observatoire de la Côte d'Azur in Nice, Frankrijk, zegt: ‘Messier 77 is een belangrijk AGN-prototype en een prachtige motivatie om ons waarnemingsprogramma uit te breiden, en MATISSE te optimaliseren voor waarnemingen van een grotere steekproef van AGNs.’

ESO’s Extremely Large Telescope (ELT), die later dit decennium met waarnemingen zal beginnen, zal eveneens voor deze zoektocht worden ingezet. Dat zal resultaten opleveren die de bevindingen van het team zullen aanvullen, en de astronomen in staat zullen stellen de interactie tussen AGNs en sterrenstelsels te onderzoeken.

Meer informatie

De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Thermal imaging of dust hiding the black hole in the Active Galaxy NGC 1068’ (doi: 10.1038/s41586-021-04311-7) dat in Nature verschijnt.

Het onderzoeksteam bestaat uit Violeta Gámez Rosas (Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden [Leiden]), Jacob W. Isbell (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Duitsland [MPIA]), Walter Jaffe (Leiden), Romain G. Petrov (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, Frankrijk [OCA]), James H. Leftley (OCA), Karl-Heinz Hofmann (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Duitsland [MPIfR]), Florentin Millour (OCA), Leonard Burtscher (Leiden), Klaus Meisenheimer (MPIA), Anthony Meilland (OCA), Laurens B.F.M. Waters (vakgroep Astrofysica/IMAPP, Radboud Universiteit; SRON Netherlands Institute for Space Research), Bruno Lopez (OCA), Stéphane Lagarde (OCA), Gerd Weigelt (MPIfR), Philippe Berio (OCA), Fatme Allouche (OCA), Sylvie Robbe-Dubois (OCA), Pierre Cruzalèbes (OCA), Felix Bettonvil (ASTRON, Dwingeloo [ASTRON]), Thomas Henning (MPIA), Jean-Charles Augereau (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Institute for Planetary sciences and Astrophysics, Frankrijk [IPAG]), Pierre Antonelli (OCA), Udo Beckmann (MPIfR), Roy van Boekel (MPIA), Philippe Bendjoya (OCA), William C. Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, VS), Carsten Dominik (Anton Pannekoek Instituut, Universiteit van Amsterdam [API]), Julien Drevon (OCA), Jack F. Gallimore (Department of Physics and Astronomy, Bucknell University, Lewisburg, Pennsylvania, VS), Uwe Graser (MPIA), Matthias Heininger (MPIfR), Vincent Hocdé (OCA), Michiel Hogerheijde (Leiden; API), Josef Hron (Department of Astrophysics, Universiteit van Wenen, Oostenrijk), Caterina M.V. Impellizzeri (Leiden), Lucia Klarmann (MPIA), Elena Kokoulina (OCA), Lucas Labadie (1st Institute of Physics, Universität zu Köln, Duitsland), Michael Lehmitz (MPIA), Alexis Matter (OCA), Claudia Paladini (European Southern Observatory, Santiago, Chili [ESO-Chile]), Eric Pantin (Centre d'Etudes de Saclay, Gif-sur-Yvette, Frankrijk), Jörg-Uwe Pott (MPIA), Dieter Schertl (MPIfR), Anthony Soulain (Sydney Institute for Astronomy, University of Sydney, Australië [SIfA]), Philippe Stee (OCA), Konrad Tristram (ESO-Chile), Jozsef Varga (Leiden), Julien Woillez (European Southern Observatory, Garching bei München, Duitsland [ESO]), Sebastian Wolf (Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Universität zu Kiel, Duitsland), Gideon Yoffe (MPIA) en Gerard Zins (ESO-Chile).

MATISSE is ontworpen, gefinancierd en gebouwd in nauwe samenwerking met ESO, door een consortium bestaande uit instituten in Frankrijk (J.-L. Lagrange Laboratory – INSU-CNRS – Côte d'Azur Observatory – University of Nice Sophia-Antipolis), Duitsland (MPIA, MPIfR en Universiteit van Kiel), Nederland (NOVA en Universiteit Leiden) en Oostenrijk (Universiteit van Wenen). Ook de Konkoly-sterrenwacht en de Universiteit van Keulen hebben enige steun verleend bij de vervaardiging van het instrument.

De Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) stelt wetenschappers van over de hele wereld in staat om de geheimen van het heelal te ontdekken, ten bate van iedereen. Wij ontwerpen, bouwen en exploiteren observatoria van wereldklasse die door astronomen worden gebruikt om spannende vragen te beantwoorden en de fascinatie voor astronomie te verspreiden, en bevorderen internationale samenwerking op het gebied van de astronomie. ESO, in 1962 opgericht als intergouvernementele organisatie, wordt inmiddels gedragen door 16 lidstaten (België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland) en door het gastland Chili, met Australië als strategische partner. Het hoofdkwartier van de ESO en haar bezoekerscentrum en planetarium, de ESO Supernova, zijn gevestigd nabij München in Duitsland, maar onze telescopen staan opgesteld in de Chileense Atacama-woestijn – een prachtige plek met unieke omstandigheden voor het doen van hemelwaarnemingen. ESO exploiteert drie waarnemingslocaties: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s  Very Large Telescope en Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen: VISTA voor infrarood en de VST voor zichtbaar licht. Op Paranal zal de ESO ook de Cherenkov Telescope Array South huisvesten en exploiteren – ’s werelds grootste en gevoeligste observatorium van gammastraling. Samen met internationale partners beheert ESO APEX en ALMA op Chajnantor, twee faciliteiten die de hemel waarnemen in het millimeter- en submillimetergebied. Op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwen wij ‘het grootste oog ter wereld’  – ESO’s Extremely Large Telescope. Vanuit onze kantoren in Santiago, Chili, ondersteunen wij onze activiteiten in het gastland en werken wij samen met Chileense partners en de Chileense samenleving.

Links

• Onderzoeksartikel
• Foto’s van de VLT/VLTI
• Voor journalisten: abonneer je op persberichten in je eigen taal
• Voor wetenschappers: heb je een verhaal? Promoot je onderzoek

Contact

Violeta Gámez Rosas
Leiden University
Leiden, the Netherlands
Tel: +31 71 527 5737
E-mail: gamez@strw.leidenuniv.nl

Walter Jaffe
Leiden University
Leiden, the Netherlands
Tel: +31 71 527 5737
E-mail: jaffe@strw.leidenuniv.nl

Bruno Lopez
MATISSE Principal Investigator
Observatoire de la Côte d’ Azur, Nice, France
Tel: +33 4 92 00 30 11
E-mail: Bruno.Lopez@oca.eu

Romain Petrov
MATISSE Project Scientist
Observatoire de la Côte d’ Azur, Nice, France
Tel: +33 4 92 00 30 11
E-mail: Romain.Petrov@oca.eu

Bárbara Ferreira
ESO Media Manager
Garching bei München, Germany
Tel: +49 89 3200 6670
Mobiel: +49 151 241 664 00
E-mail: press@eso.org

Marieke Baan (Perscontact Nederland)
ESO Science Outreach Network en NOVA Informatie Centrum
Tel: +31(0)20-5257480
E-mail: eson-netherlands@eso.org

Connect with ESO on social media