Onderzoek dat systematische observaties combineert met kosmologische simulaties heeft aangetoond dat, verrassend genoeg, zwarte gaten kunnen bepaalde sterrenstelsels helpen bij het vormen van nieuwe sterren. Op schalen van sterrenstelsels, de rol van superzware zwarte gaten voor stervorming werd eerder gezien als destructief - actieve zwarte gaten kunnen sterrenstelsels ontdoen van het gas dat sterrenstelsels nodig hebben om nieuwe sterren te vormen. De nieuwe resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , situaties laten zien waar actieve zwarte gaten kunnen, in plaats daarvan, "de weg vrijmaken" voor sterrenstelsels die in sterrenstelsels of clusters draaien, voorkomen dat die sterrenstelsels hun stervorming verstoren terwijl ze door het omringende intergalactische gas vliegen.

Van actieve zwarte gaten wordt vooral gedacht dat ze een destructieve invloed hebben op hun omgeving. Terwijl ze energie in hun gastmelkweg blazen, ze warmen op en stoten het gas van dat melkwegstelsel uit, waardoor het voor de melkweg moeilijker wordt om nieuwe sterren te produceren. Maar nu, onderzoekers hebben ontdekt dat dezelfde activiteit daadwerkelijk kan helpen bij stervorming - althans voor de satellietstelsels die rond het gaststelsel draaien.

Het contra-intuïtieve resultaat kwam voort uit een samenwerking die werd aangewakkerd door een lunchgesprek tussen astronomen die gespecialiseerd zijn in grootschalige computersimulaties en waarnemers. Als zodanig, het is een goed voorbeeld van het soort informele interactie dat moeilijker is geworden onder pandemische omstandigheden.

Astronomische waarnemingen, waaronder het nemen van het spectrum van een verre melkwegstelsel - de regenboogachtige scheiding van het licht van een melkwegstelsel in verschillende golflengten - maken vrij directe metingen mogelijk van de snelheid waarmee dat melkwegstelsel nieuwe sterren vormt.

Aan de hand van dergelijke metingen, sommige sterrenstelsels vormen sterren in een tamelijk rustig tempo. In ons eigen Melkwegstelsel, slechts één of twee nieuwe sterren worden elk jaar geboren. Anderen ondergaan korte uitbarstingen van buitensporige stervormingsactiviteit, genaamd "star bursts", met honderden sterren die per jaar worden geboren. In weer andere sterrenstelsels, stervorming lijkt te worden onderdrukt, of "uitgeblust, " zoals astronomen zeggen:dergelijke sterrenstelsels zijn vrijwel gestopt met het vormen van nieuwe sterren.

Een speciaal soort melkwegstelsel, waarvan exemplaren vaak - bijna de helft van de tijd - in zo'n uitgedoofde staat worden bevonden, zijn zogenaamde satellietstelsels. Deze maken deel uit van een groep of cluster van sterrenstelsels, hun massa is relatief laag, en ze draaien om een ​​veel massiever centraal sterrenstelsel, vergelijkbaar met de manier waarop satellieten om de aarde draaien.

Dergelijke sterrenstelsels vormen doorgaans zeer weinig nieuwe sterren, als al, en sinds de jaren 70, astronomen hebben vermoed dat iets dat veel lijkt op tegenwind de schuld kan zijn:groepen en clusters van sterrenstelsels bevatten niet alleen sterrenstelsels, maar ook vrij heet dun gas dat de intergalactische ruimte vult.

Terwijl een satellietstelsel met een snelheid van honderden kilometers per seconde door het cluster draait, het dunne gas zou het dezelfde soort "tegenwind" geven als iemand die op een snelle fiets rijdt, of motor, zal voelen. De sterren van het satellietstelsel zijn veel te compact om te worden beïnvloed door de gestage stroom van naderend intergalactisch gas.

Maar het eigen gas van het satellietstelsel is dat niet:het zou worden weggestript door het naderende hete gas in een proces dat bekend staat als "ram pressure stripping". Anderzijds, een snel bewegend sterrenstelsel heeft geen kans om voldoende intergalactisch gas aan te trekken, om zijn gasreservoir aan te vullen. Het resultaat is dat dergelijke satellietstelsels hun gas bijna volledig verliezen - en daarmee de grondstof die nodig is voor stervorming. Als resultaat, stervormingsactiviteit zou worden gedoofd.

De processen in kwestie vinden plaats over miljoenen of zelfs miljarden jaren, dus we kunnen ze niet direct zien gebeuren. Maar toch, er zijn manieren voor astronomen om meer te leren. Ze kunnen computersimulaties van virtuele universums gebruiken, geprogrammeerd om de relevante natuurwetten te volgen - en de resultaten te vergelijken met wat we feitelijk waarnemen. En ze kunnen op zoek gaan naar veelbetekenende aanwijzingen in de uitgebreide 'momentopname' van kosmische evolutie die wordt verschaft door astronomische waarnemingen.

Annalisa Pillepich, een groepsleider bij het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA), is gespecialiseerd in dit soort simulaties. De IllustrisTNG-suite van simulaties, waarvan Pillepich mede leiding heeft gegeven, biedt de meest gedetailleerde virtuele universums tot nu toe - universums waarin onderzoekers de beweging van gas op relatief kleine schaal kunnen volgen.

IllustrisTNG geeft enkele extreme voorbeelden van satellietstelsels die vers zijn gestript door ramdruk:zogenaamde "kwallenstelsels, " die de overblijfselen van hun gas volgen, zoals kwallen hun tentakels volgen. In feite, het identificeren van alle kwallen in de simulaties is een recent gelanceerd burgerwetenschappelijk project op het Zooniverse-platform, waar vrijwilligers kunnen helpen bij het onderzoek naar zo'n vers uitgedoofd sterrenstelsel.

Maar, terwijl kwallenstelsels relevant zijn, ze zijn niet waar het huidige onderzoeksproject begon. Tijdens de lunch in november 2019, Pillepich vertelde een andere van haar IllustrisTNG-resultaten aan Ignacio Martín-Navarro, een astronoom gespecialiseerd in waarnemingen, die bij MPIA was met een Marie Curie-beurs. Een resultaat over de invloed van superzware zwarte gaten die verder reikten dan het gaststelsel, in de intergalactische ruimte.

Dergelijke superzware zwarte gaten zijn te vinden in het centrum van alle sterrenstelsels. Materie die op zo'n zwart gat valt, wordt typisch onderdeel van een roterende zogenaamde accretieschijf die het zwarte gat omringt, alvorens in het zwarte gat zelf te vallen. Bij deze val op de accretieschijf komt een enorme hoeveelheid energie vrij in de vorm van straling, en vaak ook in de vorm van twee stralen snel bewegende deeltjes, die loodrecht op de accretieschijf weg van het zwarte gat accelereren. Een superzwaar zwart gat dat op deze manier energie uitstraalt, wordt een actieve galactische kern genoemd, AGN in het kort.

Hoewel IllustrisTNG niet gedetailleerd genoeg is om jets van zwarte gaten op te nemen, het bevat fysieke termen die simuleren hoe een AGN energie toevoegt aan het omringende gas. En zoals de simulatie liet zien, dat energie-injectie zal leiden tot gasuitstroom, die zich op hun beurt oriënteren langs de weg van de minste weerstand:in het geval van schijfsterrenstelsels vergelijkbaar met onze eigen Melkweg, loodrecht op de stellaire schijf; voor zogenaamde elliptische sterrenstelsels, loodrecht op een geschikt voorkeursvlak gedefinieerd door de rangschikking van de sterren van de melkweg.

Overuren, de bipolaire gasuitstroom, loodrecht op de schijf of het voorkeursvlak, zal zo ver gaan dat het de intergalactische omgeving beïnvloedt - het dunne gas dat de melkweg omringt. Ze zullen het intergalactische gas wegduwen, elke uitstroom creëert een gigantische bel. Het was dit verhaal dat Pillepich en Martín-Navarro aan het denken zette:als een satellietstelsel door die bel zou gaan, zou het dan worden beïnvloed door de uitstroom, en zou zijn stervormingsactiviteit nog verder worden uitgedoofd?

Martín-Navarro heeft deze vraag binnen zijn eigen domein opgepakt. Hij had uitgebreide ervaring in het werken met gegevens van een van de grootste systematische onderzoeken tot nu toe:de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), die hoogwaardige beelden levert van een groot deel van het noordelijk halfrond. In de openbaar beschikbare gegevens van de 10e gegevens van dat onderzoek, hij onderzocht 30, 000 melkweggroepen en clusters, elk met een centraal sterrenstelsel en gemiddeld 4 satellietstelsels.

In een statistische analyse van die duizenden systemen, hij vond een kleine maar een duidelijk verschil tussen satellietstelsels die zich dicht bij het voorkeursvlak van het centrale sterrenstelsel bevonden en satellieten die zich duidelijk boven en beneden bevonden. Maar het verschil was in de tegenovergestelde richting die de onderzoekers hadden verwacht:satellieten boven en onder het vliegtuig, binnen de dunnere bubbels, waren gemiddeld niet waarschijnlijker, maar ongeveer 5% minder kans dat hun stervormingsactiviteit is uitgedoofd.

Met dat verrassende resultaat Martín-Navarro ging terug naar Annalisa Pillepich, en de twee voerden dezelfde soort statistische analyse uit in het virtuele universum van de IllustrisTNG-simulaties. In dergelijke simulaties ten slotte, kosmische evolutie wordt door de onderzoekers niet "met de hand" ingegeven. In plaats daarvan, de software bevat regels die de natuurkundige regels voor dat virtuele universum zo natuurlijk mogelijk modelleren, en die ook geschikte beginvoorwaarden omvatten die overeenkomen met de toestand van ons eigen heelal kort na de oerknal.

Daarom laten dergelijke simulaties ruimte voor het onverwachte - in dit specifieke geval voor het herontdekken van het vliegtuig, off-plane distributie van uitgedoofde satellietstelsels:Het virtuele universum vertoonde dezelfde afwijking van 5% voor het uitdoven van satellietstelsels! klaarblijkelijk, de onderzoekers waren iets op het spoor.

Op tijd, pilepich, Martín-Navarro en hun collega's kwamen met een hypothese voor het fysieke mechanisme achter de uitdovingsvariatie. Beschouw een satellietstelsel dat door een van de uitgedunde bubbels reist die het centrale zwarte gat in het omringende intergalactische medium heeft geblazen. Door de lagere dichtheid dat satellietstelsel minder tegenwind heeft, minder ramdruk, en het is dus minder waarschijnlijk dat het gas wordt weggestript.

Vervolgens, het ligt aan de statistieken. Voor satellietstelsels die al meerdere keren om dezelfde centrale sterrenstelsels hebben gedraaid, bubbels doorkruisen, maar ook de gebieden met een hogere dichtheid ertussen, het effect zal niet merkbaar zijn. Dergelijke sterrenstelsels zullen hun gas al lang geleden hebben verloren.

Maar voor satellietstelsels die zich bij de groep hebben aangesloten, of cluster, vrij recent, locatie zal een verschil maken:als die satellieten als eerste in een luchtbel landen, ze hebben minder kans om hun gas te verliezen dan als ze toevallig buiten een luchtbel landen. Dit effect zou het statistische verschil voor de uitgedoofde satellietstelsels kunnen verklaren.

Met de uitstekende overeenkomst tussen de statistische analyses van zowel de SDSS-waarnemingen als de IllustrisTNG-simulaties, en met een plausibele hypothese voor een mechanisme, dit is een veelbelovend resultaat. In de context van de evolutie van sterrenstelsels, het is bijzonder interessant omdat het bevestigt, indirect, de rol van actieve galactische kernen, niet alleen het opwarmen van intergalactisch gas, maar actief "wegduwen", om regio's met een lagere dichtheid te creëren. En zoals met alle veelbelovende resultaten, er zijn nu een aantal natuurlijke richtingen die ofwel Martín-Navarro, Pillepich en hun collega's of andere wetenschappers kunnen nemen om verder te verkennen.