Pressmeddelande

Hur aktiveras ett supertungt svart hål?

Inte ens i det trånga unga universum kan galaxkrockar vara förklaringen

13 juli 2011

En ny studie av de väldiga, aktiva svarta hål i centrum av galaxer har gett astronomer en rejäl överraskning. Studien kombinerar data från ESO:s jätteteleskop VLT och ESA:s röntgenteleskop i rymden XMM-Newton. De flesta av de supertunga svarta hålen som blev aktiva under de senaste 11 miljarder åren gjorde inte det på grund av galaxkollisioner, som man tidigare trott.

I hjärtat av de flesta, om inte alla, stora galaxer döljer sig ett supermassivt svart hål med en massa som är  miljoner, eller till och med miljarder, gånger solens. I många galaxer, såsom i vår egen Vintergata, så lever det svarta hålet i centrum ett stillsamt liv. Men i några galaxer, speciellt tidigt i universums historia [1], så kalasar monstret i centrum på material som i sin tur avger intensiv strålning när det faller in mot det svarta hålet.

Ett olöst mysterium är ursprunget till materialet som aktiverar det sovande svarta hålet och därmed utlöser våldsamma utbrott i galaxens mitt. När detta händer har hålet bildat en aktiv galaxkärna. Fram tills nu har många astronomer trott att de flesta av dessa aktiva kärnor sattes igång när två galaxer slogs ihop eller när de passerade nära förbi varandra och utkastat material blir till bränsle för det svarta hålet i centrum. Men nya forskningsresultat tyder på att att denna idé kan vara felaktig för många av de aktiva galaxerna.

Viola Allevato (Max-Planck-institutet för plasmafysik; Excellence Cluster Universe, Garching, Tyskland) har tillsammans med ett internationellt forskarteam från COSMOS-projektet [2] detaljstuderat fler än 600 av dessa aktiva galaxer som finns i ett välstuderat område på himlavalavet som kallas för COSMOS-fältet [3]. Som förväntat fann astronomerna att extremt ljusstarka aktiva kärnor var sällsynta; det stora flertalet av de aktiva galaxerna under de senaste 11 miljarder åren hade en mer medelmåttig ljusstyrka. Men det fanns en stor överraskning i datamängden. Den nya studien visade att majoriteten av dessa mer vanliga, mindre ljusstarka aktiva galaxer inte utlöstes av galaxsammanslagningar [4]. Resultaten kommer att publiceras i The Astrophysical Journal.

Förekomsten av en aktiv galaxkärna avslöjas av röntgenstrålningen som sänds ut från det svarta hålets omgivning. Denna strålning kunde fångas av ESA:s röntgenteleskop i rymden XMM-Newton. Galaxerna observerades sedan med ESO:s jätteteleskop VLT, som kunde bestämma hur långt bort de låg [5]. Genom att kombinera observationerna kunde teamet skapa en tredimensionell karta som visade var de aktiva galaxerna ligger i rymden.

Marcella Brusa är en av författarna till studien.

– Det tog mer än fem år att göra det, men vi lyckades skapa en av de största och mest kompletta katalogerna av aktiva galaxer på röntgenhimlen, säger hon.

Astronomerna kunde använda sig av den här nya kartan för att upptäcka hur de aktiva galaxerna var fördelade över himlavalvet och jämföra detta med teoretiska förutsägelser. De kunde också se hur fördelningen förändrat sig när universum blivit äldre, ända från för 11 miljarder år sedan fram till nu.

Teamet fann att aktiva kärnor oftast upptäcks i stora massiva galaxer som har mycket mörk materia [6]. Detta var en överraskning och stämde inte överens med teorin. Om de flesta aktiva kärnor hade sitt ursprung i sammanslagningar och kollisioner av galaxer så hade man förväntat sig hitta dem i galaxer med mer modest massa (cirka en biljon gånger solens massa). Teamet upptäckte att de flesta aktiva kärnor finns i galaxer med massor 20 gånger större än man skulle ha väntat sig enligt  teorin om galaxsammanslagningar.

Viola Allevato är huvudförfattare till den nya artikeln.

– De här nya resultaten ger oss nya insikter i hur början på ett supermassiva svarta håls måltid kan se ut, säger hon.

Allevato tillägger:

– Resultaten pekar på att de svarta hålen vanligtvis får sin föda från processer inuti galaxen, såsom instabiliteter i galaxskivan och utbrott av stjärnbildning, och inte från galaxkollisioner.

Alexis Finoguenov, som handlett arbetet, avslutar:

– Till och med i det avlägsna förflutna, upp emot 11 miljarder år sedan, så står galaxkollisioner bara för en liten andel av de mindre ljusstarka aktiva galaxerna. Vid denna tidpunkt förväntas galaxerna ligga tätare ihop och det förväntas därmed också att sammanslagningar är vanligare än senare i universums historia, vilket gör de nya resultaten än mer överraskande, säger han.

Noter

[1] De mest ljusstarka aktiva galaxerna var vanligast förekommande ungefär tre till fyra miljarder år efter stora smällen. De mindre ljusstarka nådde sitt maximum först senare, cirka åtta miljarder år efter big bang. 

[2] Den nya studien baseras på två stora europeiska astronomiprojekt: XMM-Newton-kartläggningen av COSMOS-fältet, som leds av professor Günther Hasinger och ESO:s zCOSMOS som leds av professor Simon Lilly. Båda projekten är en del av COSMOS-initiativet, ett internationellt försök att observera en del av himlavalvet med NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble, ESA:s XMM-Newton och NASA:s rymdteleskop för röntgenstrålning Chandra samt även med NASA:s rymdteleskop Spitzer, som observerar i infrarött. Dessa observationer kan sedan kombineras med data från ESO:s jätteteleskop VLT och andra markbaserade teleskop.

[3] COSMOS-fältet är ett område som har en ungefärlig storlek på tio gånger månens och är beläget i stjärnbilden Sextanten. Fältet har blivit kartlagt av en mängd olika teleskop i olika våglängder, vilket har gjort att en rad av studier och undersökningar kan använda sig av denna dataskatt.

[4] Ett arbete från NASA/ESA:s rymdteleskop Hubble som publicerads förra året (heic1101) hade visat att det inte fanns något starkt samband mellan aktiva kärnor i galaxer och galaxsammanslagningar när man studerade ett urval av galaxer som låg relativt nära varandra. I den studien kunde man se åtta miljarder år tillbaka i tiden. Dessa nya resultat visar att samma sak stämmer även tre miljarder år tidigare, när galaxerna låg än mer tätpackade.

[5] Forskarteamet använde en spektrograf på VLT för att fördela upp det svaga ljuset från galaxerna i de ingående färgerna. En noggrann analys tillät dem sedan att bestämma rödförskjutningen, det vill säga hur mycket ljuset har sträckts ut på grund av universums expansion sedan det skickades ut från galaxen, och därmed hur avlägsna de är. Eftersom ljus färdas med en ändlig hastighet så berättar detta också om hur långt tillbaka i tiden vi ser de avlägsna objekten.

[6] Mörk materia är ett mystiskt ämne som utgör en osynlig komponent av de flesta, om inte alla, galaxer - aktiva som inaktiva, Vintergatan inräknad. Författarna har uppskattat mängden av mörk materia i varje galax – vilket även ger den totala massan – från fördelningen av galaxerna över himlen i den nya studien.

Mer information

Forskningen presenterades i en artikel som kommer att publiceras i tidskriften Astrophysical Journal under juli 2011. 

Länkar

• Forskningsartikeln
• Foton av VLT
• Länk till pressmeddelandet från Hubble (heic1101)
• Länk för att zooma in i COSMOS-fältet

Kontakter

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

Viola Allevato
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik; Excellence Cluster Universe
Garching, Germany
Tel: +49 89 3299 1558
E-post: 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-post: rhook@eso.org

Johan Warell (Presskontakt för Sverige)
ESO:s nätverk för vetenskaplig kommunikation
Skurup, Sverige
Tel: +46-706-494731
E-post: eson-sweden@eso.org

Connect with ESO on social media