Astronomen hebben ESA's Herschel Space Observatory gebruikt om een ​​decennia oud mysterie op te lossen over de oorsprong van krachtige koele gaswinden in de hete omgeving van quasars. Het bewijs dat deze krachtige winden in verband brengt met stervorming in de quasar-gaststelsels kan ook helpen bij het oplossen van het mysterie waarom de grootte van sterrenstelsels in het heelal beperkt lijkt te zijn.

Sinds hun ontdekking in de jaren zestig hebben quasars een schat aan vragen opgeleverd voor astronomen om te beantwoorden. Deze energetische bronnen – tot 10.000 keer helderder dan de Melkweg – zijn de kernen van verre sterrenstelsels met superzware zwarte gaten in hun hart. Terwijl gas in een accretieschijf naar het zwarte gat wordt getrokken, warmt het op tot zeer hoge temperaturen en straalt het energie uit over het elektromagnetische spectrum van radio tot röntgenstraling - op deze manier wordt de kenmerkende helderheid van de quasar geboren.

Vijf decennia lang, astronomen hebben de spectra van quasars bestudeerd om de oorsprong van de elektromagnetische straling die ze uitzenden te achterhalen en om het pad te traceren dat het licht heeft afgelegd om ons te bereiken.

Een waardevol hulpmiddel om deze reis te begrijpen, zijn de absorptielijnen in de stralingsspectra van de quasars. Deze lijnen geven de golflengtebereiken aan die zijn geabsorbeerd terwijl de straling van bron naar waarnemer reisde, aanwijzingen geven over het materiaal waar het doorheen ging. Overuren, de studie van deze lijnen heeft de samenstelling getraceerd van sterrenstelsels en gaswolken die tussen ons en deze verre lichtgevende objecten liggen, maar één reeks absorptielijnen is onverklaard gebleven.

Astronomen hebben in veel quasars absorptielijnen waargenomen die wijzen op absorptie onderweg door koel gas met zware metalen elementen zoals koolstof, magnesium en silicium. De lijnen geven aan dat het licht door winden van koud gas is gereisd met snelheden van duizenden kilometers per seconde binnen de gaststerrenstelsels van de quasars. Hoewel de kennis dat deze winden bestaan ​​niets nieuws is, is hun oorsprong, en waarom ze zulke indrukwekkende snelheden kunnen bereiken, is een onbekende gebleven.

Nutsvoorzieningen, astronoom Peter Barthel en zijn promovendus Pece Podigachoski, beide van het Kapteyn Instituut van de Rijksuniversiteit Groningen, samen met collega's Belinda Wilkes van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (VS) en Martin Haas van de Ruhr-Universität Bochum (Duitsland) hebben ze licht geworpen op de oorsprong van de koude wind. Met behulp van gegevens verkregen met ESA's Herschel Space Observatory hebben de astronomen aangetoond dat Voor de eerste keer, dat de sterkte van de metalen absorptielijnen die verband houden met deze mysterieuze gaswinden rechtstreeks verband houdt met de snelheid van stervorming in de quasar-gaststelsels. Door deze trend te vinden, kunnen de astronomen met enig vertrouwen zeggen dat wonderbaarlijke stervorming in het gaststelsel het mechanisme kan zijn dat deze mysterieuze en krachtige winden aandrijft.

"Het identificeren van deze neiging tot vruchtbare stervorming om nauw verwant te zijn aan krachtige quasarwinden is een opwindende vondst voor ons, " legt Pece Podigachoski uit. "Een natuurlijke verklaring hiervoor is dat de winden worden aangedreven door starburst en worden geproduceerd door supernova's - waarvan bekend is dat ze met grote frequentie voorkomen tijdens perioden van extreme stervorming."

Deze nieuwe verbinding lost niet alleen één puzzel over quasars op, maar kan ook bijdragen aan het ontrafelen van een nog groter mysterie:waarom lijkt de grootte van sterrenstelsels die in ons heelal worden waargenomen in de praktijk te worden beperkt, hoewel niet in theorie.

“Afgezien van de vraag welke processen verantwoordelijk zijn voor de gaswinden, hun netto-effect is een zeer belangrijk onderwerp in de hedendaagse astrofysica, " legt Peter Barthel uit. "Hoewel theorieën voorspellen dat sterrenstelsels heel groot kunnen worden, ultra-zware sterrenstelsels zijn niet waargenomen. Het lijkt erop dat er een proces is dat de vorming van dergelijke sterrenstelsels remt:interne gaswinden zouden bijvoorbeeld verantwoordelijk kunnen zijn voor deze zogenaamde negatieve feedback."

De theorie voorspelt dat sterrenstelsels zouden moeten kunnen groeien tot massa's die honderd keer groter zijn dan ooit waargenomen. Het feit dat er een tekort aan kolossen in het heelal is, impliceert dat er een proces is dat de gasreserves van sterrenstelsels uitput voordat ze hun volledige potentieel kunnen bereiken. Er zijn twee mechanismen die waarschijnlijk tot deze uitputting van gas leiden:de eerste is de supernovawind die gepaard gaat met starbursts, de seconde, de winden geassocieerd met het superzware zwarte gat in het hart van elke quasar. Hoewel beide mechanismen waarschijnlijk een rol spelen, het bewijs van correlatie tussen koude gaswinden en stervormingssnelheid gevonden door dit team suggereert dat in het geval van quasars, stervorming, die een constante toevoer van koud gas vereist, kan de belangrijkste boosdoener zijn bij het ondermijnen van het gasstelsel en het onderdrukken van zijn vermogen om de volgende generatie sterren te laten groeien.

"Dit is een belangrijk resultaat voor de quasarwetenschap, en een die vertrouwde op de unieke capaciteiten van Herschel, " legt Göran Pilbratt uit, Herschel Project Scientist bij ESA. "Herschel observeert licht in het verre infrarood en submillimeter waardoor gedetailleerde kennis van de stervormingssnelheid in de waargenomen sterrenstelsels nodig was om deze ontdekking te doen."