Het sterrenstelsel Messier 77 (M77) staat bekend om zijn superactieve kern die enorme energie vrijgeeft over het elektromagnetische spectrum, variërend van röntgenstraling tot radiogolflengten. Nog, ondanks zijn zeer actieve kern, de melkweg ziet eruit als elke normale stille spiraal. Er is geen visueel teken van wat ervoor zorgt dat het centrale gebied zo uitgebreid uitstraalt. Het is lang een mysterie geweest waarom alleen het centrum van M 77 zo actief is. Astronomen vermoeden een gebeurtenis van lang geleden met een zinkend zwart gat, die de kern in een hogere versnelling had kunnen zetten.

Om hun ideeën te testen over waarom het centrale gebied van M 77 enorme hoeveelheden straling uitstraalt, een team van onderzoekers van het National Astronomical Observatory of Japan en de Open University of Japan gebruikte de Subaru-telescoop om M 77 te bestuderen. Het ongekend diepe beeld van de melkweg onthult het bewijs van een verborgen kleine fusie miljarden jaren geleden. De ontdekking levert cruciaal bewijs voor de kleine fusie-oorsprong van actieve galactische kernen.

Het mysterie van de Seyfert-sterrenstelsels

Het sterrenstelsel Messier 77 (NGC 1068) staat bekend om de actieve kern in de kern die een enorme hoeveelheid energie vrijgeeft. Het bestaan ​​van dergelijke actieve sterrenstelsels in het nabije heelal werd meer dan 70 jaar geleden voor het eerst opgemerkt door de Amerikaanse astronoom Carl Seyfert. Tegenwoordig worden ze de Seyfert-sterrenstelsels genoemd. Astronomen denken dat de bron van dergelijke krachtige activiteit de zwaartekrachtsenergie is die vrijkomt door oververhitte materie die op een superzwaar zwart gat (SMBH) valt dat zich in het centrum van het gaststelsel bevindt. De geschatte massa van zo'n SMBH voor M 77 is ongeveer 10 miljoen keer die van de zon.

Er is een enorme hoeveelheid gas nodig die op het centrale zwarte gat van de melkweg wordt gedumpt om zulke sterke energieën te creëren. Dat klinkt misschien als een gemakkelijke taak, maar het is eigenlijk heel moeilijk. Het gas in de galactische schijf zal steeds sneller circuleren naarmate het in de buurt van de SMBH spiraliseert. Vervolgens, op een gegeven moment balanceert de "centrifugale kracht" met de zwaartekracht van de SMBH. Dat voorkomt eigenlijk dat het gas in het centrum valt. De situatie is vergelijkbaar met water dat uit een badkuip loopt. Door de middelpuntvliedende kracht het snel roterende water zal niet snel weglopen. Dus, hoe kan het impulsmoment worden verwijderd uit het gas dat rond een actieve galactische kern cirkelt? Het antwoord op die vraag vinden is een van de grote uitdagingen voor onderzoekers van vandaag.

Een voorspelling die 18 jaar geleden werd gesteld

In 1999, Professor Yoshiaki Taniguchi (momenteel verbonden aan de Open Universiteit van Japan), de teamleider van de huidige Subaru-studie, publiceerde een artikel over het aandrijfmechanisme van de actieve kern van Seyfert-sterrenstelsels zoals M 77. Hij wees erop dat een gebeurtenis in het verleden - een "kleine fusie" waarbij het gaststelsel zijn "satelliet"-sterrenstelsel (een klein eromheen draaien) - zou de sleutel zijn tot het activeren van de Seyfert-kern.

Gebruikelijk, een kleine fusie-gebeurtenis breekt eenvoudig een satellietstelsel met lage massa op. Het resulterende puin wordt geabsorbeerd in de schijf van het meer massieve gaststelsel voordat het het centrum nadert. Daarom, het werd niet beschouwd als de belangrijkste motor van de nucleaire activiteit. "Echter, de situatie zou totaal anders kunnen zijn als het satellietstelsel een (kleinere) SMBH in het centrum heeft, " Professor Taniguchi suggereert, "omdat het zwarte gat nooit uit elkaar kan worden gehaald. Als het bestaat, het zou uiteindelijk in het centrum van het gaststelsel moeten zinken."

Het zinkende SMBH van het satellietstelsel zou uiteindelijk een storing veroorzaken in de roterende gasschijf rond het SMBH van het hoofdstelsel. Vervolgens, het verstoorde gas zou uiteindelijk het centrale SMBH binnenstormen en daarbij enorme zwaartekrachtsenergie vrijgeven. "Dit moet het belangrijkste ontstekingsmechanisme zijn van de actieve Seyfert-kernen, Taniguchi betoogde. "Het idee kan natuurlijk het mysterie verklaren over de morfologie van de Seyfert-sterrenstelsels, " zei professor Taniguchi, wijzend op het voordeel dat het model van normaal ogende sterrenstelsels ook erg actief is in hun kernen.

De theorie onderzoeken met de Subaru-telescoop

Recente vorderingen in de waarnemingstechniek maken de detectie mogelijk van de extreem zwakke structuur rond sterrenstelsels, zoals lussen of puin die waarschijnlijk worden gemaakt door dynamische interacties met satellietstelsels. De buitenste delen van sterrenstelsels worden vaak beschouwd als relatief "stil" met een langere dynamische tijdschaal dan waar dan ook binnenin. Simulaties tonen aan dat de vage handtekening van een eerdere kleine fusie enkele miljarden jaren na de gebeurtenis kan blijven bestaan. "Zo'n handtekening kan een belangrijke test zijn voor onze kleine fusiehypothese voor Seyfert-sterrenstelsels. Nu is het tijd om M 77 opnieuw te bezoeken, ' zei Taniguchi.

De keuze van het team om te zoeken naar 'de verleden zaak' was, natuurlijk, de Subaru-telescoop en zijn krachtige beeldcamera, Hyper Suprime Cam. Het observatievoorstel werd geaccepteerd en uitgevoerd op kerstnacht 2016. "De gegevens waren gewoon geweldig, " zei dr. Ichi Tanaka, de hoofdonderzoeker van het project. "Gelukkig, we konden ook de andere gegevens ophalen die in het verleden zijn genomen en zojuist zijn vrijgegeven uit het gegevensarchief van de Subaru Telescope. Dus, de gecombineerde gegevens die we uiteindelijk hebben gekregen, zijn ongekend diep."

Figuur 2 toont het resultaat. Het team heeft verschillende opvallende kenmerken buiten de heldere schijf geïdentificeerd, zoals te zien is in figuur 1. waarvan de meeste niet bekend waren voorafgaand aan de waarneming. Er is een zwakke buitenste eenarmige structuur buiten de schijf naar het westen. Het tegenoverliggende deel van de schijf heeft een rimpelachtige structuur die duidelijk verschilt van het spiraalpatroon. De gedetecteerde handtekeningen komen verbazingwekkend goed overeen met het resultaat van een kleine fusiesimulatie die door andere onderzoeksteams is gepubliceerd. Wat is meer, het observerende team ontdekte drie extreem diffuse en grote bobbelige structuren verder buiten de schijf. Intrigerend, het lijkt erop dat twee van deze diffuse klodders eigenlijk een gigantische lus rond M77 vormen met een diameter van 250, 000 lichtjaren. Deze structuren zijn overtuigend bewijs dat M 77 zijn satellietstelsel minstens enkele miljarden jaar geleden heeft opgegeten.

Subaru's grote fotonenverzamelende vermogen en de uitmuntende prestaties van de Hyper Suprime-Cam waren cruciaal bij de ontdekking van de extreem zwakke structuren in M77. Hun ontdekking onthult het verborgen gewelddadige verleden van de normaal ogende melkweg. "Hoewel mensen soms liegen, sterrenstelsels doen dat nooit. Het belangrijkste is om naar hun kleine stemmen te luisteren om de sterrenstelsels te begrijpen, " zei professor Taniguchi.

Het team zal zijn onderzoek uitbreiden naar meer Seyfert-sterrenstelsels met behulp van de Subaru-telescoop. Dr. Masafumi Yagi, die de volgende fase van het project leidt, zei:"We zullen steeds meer bewijzen ontdekken van de satellietfusie rond de gastheerstelsels van Seyfert. We verwachten dat het project een cruciaal onderdeel kan zijn voor het uniforme beeld voor het triggermechanisme voor actieve galactische kernen."