Gegevens van ESA's XMM-Newton röntgenobservatorium hebben onthuld hoe superzware zwarte gaten hun gastheerstelsels vormen met krachtige winden die interstellaire materie wegvagen.

In een nieuwe studie, wetenschappers analyseerden acht jaar XMM-Newton-waarnemingen van het zwarte gat in de kern van een actief sterrenstelsel dat bekend staat als PG 1114+445, laat zien hoe ultrasnelle winden - uitstromen van gas uitgestoten door de accretieschijf heel dicht bij het zwarte gat - interageren met de interstellaire materie in centrale delen van de melkweg. Deze uitstroom is al eerder opgemerkt, maar de nieuwe studie identificeert duidelijk, Voor de eerste keer, drie fasen van hun interactie met het gaststelsel.

"Deze winden kunnen enkele verrassende correlaties verklaren die wetenschappers al jaren kennen, maar niet konden verklaren, " zei hoofdauteur Roberto Serafinelli van het National Institute of Astrophysics in Milaan, Italië, die het grootste deel van het werk uitvoerde als onderdeel van zijn Ph.D. aan de Universiteit van Rome Tor Vergata.

"Bijvoorbeeld, we zien een correlatie tussen de massa's van superzware zwarte gaten en de snelheidsverspreiding van sterren in de binnenste delen van hun gastheerstelsels. Maar het is onmogelijk dat dit te wijten is aan het zwaartekrachteffect van het zwarte gat. Onze studie laat voor het eerst zien hoe deze winden van zwarte gaten de melkweg op grotere schaal beïnvloeden, mogelijk de ontbrekende schakel."

Astronomen hebben eerder twee soorten uitstromen gedetecteerd in de röntgenspectra die worden uitgezonden door de actieve galactische kernen, de dichte centrale gebieden van sterrenstelsels waarvan bekend is dat ze superzware zwarte gaten bevatten. De zogenaamde ultrasnelle uitstromen (UFO's), gemaakt van sterk geïoniseerd gas, reizen met snelheden tot 40 procent van de lichtsnelheid en zijn waarneembaar in de buurt van het centrale zwarte gat.

Langzamere uitstroom, zogenaamde warme absorbers, reizen met veel lagere snelheden van honderden km/sec en hebben vergelijkbare fysieke kenmerken, zoals deeltjesdichtheid en ionisatie, als de omringende interstellaire materie. Het is waarschijnlijker dat deze langzamere uitstroom wordt gedetecteerd op grotere afstanden van de centra van de melkwegstelsels.

In de nieuwe studie de wetenschappers beschrijven een derde type uitstroom dat kenmerken van de vorige twee combineert:de snelheid van een UFO en de fysieke eigenschappen van een warme absorber.

"Wij geloven dat dit het punt is waarop de UFO de interstellaire materie raakt en wegveegt als een sneeuwploeg, " zei Serafinelli. "We noemen dit een 'meegesleepte ultrasnelle uitstroom' omdat de UFO in dit stadium de interstellaire materie binnendringt. Het is vergelijkbaar met boten die door de wind in de zee worden voortgedreven."

Dit meeslepen gebeurt op een afstand van tientallen tot honderden lichtjaren van het zwarte gat. De UFO duwt de interstellaire materie geleidelijk weg van de centrale delen van de melkweg, het zuiveren van gas en het vertragen van de aanwas van materie rond het superzware zwarte gat.

Hoewel modellen dit type interactie eerder hebben voorspeld, de huidige studie is de eerste die feitelijke waarnemingen van de drie fasen presenteert.

"In de XMM-Newton-gegevens, we kunnen op grotere afstanden van het centrum van de melkweg materiaal zien dat nog niet is verstoord door de innerlijke UFO, "Zei co-auteur Francesco Tombesi van de Universiteit van Rome Tor Vergata en NASA's Goddard Space Flight Center. "We kunnen ook wolken dichter bij het zwarte gat zien, nabij de kern van de melkweg, waar de UFO is begonnen met de interactie met de interstellaire materie."

Deze eerste interactie gebeurt vele jaren nadat de UFO het zwarte gat heeft verlaten. Maar door de energie van de UFO kan het relatief kleine zwarte gat materiaal inslaan dat ver buiten het bereik van zijn zwaartekracht ligt.

Volgens de wetenschappers superzware zwarte gaten brengen hun energie via deze uitstromen over naar de omgeving en zuiveren geleidelijk de centrale gebieden van de melkweg van gas, die dan de stervorming zou kunnen stoppen. In feite, sterrenstelsels produceren tegenwoordig veel minder vaak sterren dan vroeger in de vroege stadia van hun evolutie.

"Dit is de zesde keer dat deze uitstroom is gedetecteerd, "zei Serafinelli. "Het is allemaal heel nieuwe wetenschap. Deze fasen van de uitstroom zijn eerder afzonderlijk waargenomen, maar het verband daartussen was tot nu toe niet duidelijk."

De ongekende energieresolutie van XMM-Newton was de sleutel tot het onderscheid tussen de drie soorten kenmerken die overeenkomen met de drie soorten uitstromen. In de toekomst, met nieuwe en krachtigere observatoria zoals ESA's Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics, Athene, astronomen zullen honderdduizenden superzware zwarte gaten kunnen waarnemen, dergelijke uitstromen gemakkelijker op te sporen. Athene, die meer dan 100 keer gevoeliger zal zijn dan XMM-Newton, is gepland voor lancering in de vroege jaren 2030.

"Het vinden van één bron is geweldig, maar wetende dat dit fenomeen veel voorkomt in het heelal zou een echte doorbraak zijn, " zei Norbert Schartel, XMM-Newton projectwetenschapper bij ESA. "Zelfs met XMM-Newton, we zouden in het volgende decennium misschien meer van dergelijke bronnen kunnen vinden."

More data in the future will help unravel the complex interactions between the supermassive black holes and their host galaxies in detail and explain the decrease in star formation that astronomers observe to have taken place over billions of years.