Superzware zwarte gaten, met een gewicht van miljoenen of zelfs miljarden keren de massa van onze zon, zijn nog steeds slechts een kleine fractie van de massa van de sterrenstelsels die ze bewonen. Maar in sommige gevallen, het centrale zwarte gat is de staart die met de hond kwispelt. Het lijkt erop dat zwarte gaten warm of koud kunnen worden als het gaat om het versterken of onderdrukken van stergeboorte in een cluster van sterrenstelsels.

Typisch, gigantische zwarte gaten, energie wegpompen via jets, houden interstellair gas te warm om te condenseren en sterren te vormen. Nutsvoorzieningen, astronomen hebben een cluster van sterrenstelsels gevonden, genaamd de Phoenix-cluster, waar sterren zich in een razend tempo vormen vanwege de invloed van het zwarte gat. Deze stellaire turboboost is blijkbaar gekoppeld aan minder energetische jets van een centraal zwart gat die de gastemperatuur niet oppompen. In plaats daarvan, het gas verliest energie als het gloeit in röntgenstralen. Het gas koelt af tot waar het in een adembenemend tempo grote aantallen sterren kan vormen. Waar onze Melkweg gemiddeld één ster per jaar vormt, pasgeboren sterren schieten uit dit koele gas met een snelheid van ongeveer 500 zonsmassa's per jaar in de Phoenix-cluster.

Om dit mysterie te ontrafelen was de gecombineerde kracht van NASA's Hubble-ruimtetelescoop nodig, NASA's Chandra X-ray Observatorium, en het Very Large Array (VLA) radioobservatorium bij Socorro, New Mexico.

De VLA-radiogegevens onthullen dat jets uit de buurt van het centrale zwarte gat schieten. Deze jets blazen bellen op in het hete gas dat door Chandra in röntgenstraling wordt gedetecteerd. Hubble lost helderblauwe filamenten van pasgeboren sterren op in holtes tussen de hete jet- en gaswolken. Naarmate het zwarte gat massiever en krachtiger is geworden, zijn invloed is toegenomen.

Astronomen hebben het eerste voorbeeld bevestigd van een cluster van sterrenstelsels waar in de kern grote aantallen sterren worden geboren. Met behulp van gegevens van NASA-ruimtetelescopen en een radio-observatorium van de National Science Foundation, onderzoekers hebben nieuwe details verzameld over hoe de meest massieve zwarte gaten in het universum hun gastheerstelsels beïnvloeden.

Melkwegclusters zijn de grootste structuren in de kosmos die bij elkaar worden gehouden door de zwaartekracht, bestaande uit honderden of duizenden sterrenstelsels ingebed in heet gas, evenals onzichtbare donkere materie. De grootste bekende superzware zwarte gaten bevinden zich in sterrenstelsels in de centra van deze clusters.

Al decenia, astronomen hebben gezocht naar clusters van sterrenstelsels met rijke kraamkamers van sterren in hun centrale sterrenstelsels. In plaats daarvan, ze vonden krachtig, gigantische zwarte gaten pompen energie door stralen van hoogenergetische deeltjes en houden het gas te warm om veel sterren te vormen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers hebben overtuigend bewijs voor een cluster van sterrenstelsels waar sterren zich in een razend tempo vormen, blijkbaar gekoppeld aan een minder effectief zwart gat in het centrum. In dit unieke cluster de jets van het centrale zwarte gat lijken daarentegen te helpen bij de vorming van sterren. Onderzoekers gebruikten nieuwe gegevens van NASA's Chandra X-ray Observatory en Hubble Space Telescope, en de Karl Jansky Very Large Array (VLA) van de NSF om voort te bouwen op eerdere waarnemingen van dit cluster.

"Dit is een fenomeen dat astronomen al heel lang probeerden te vinden, " zei Michael McDonald, astronoom aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), die de studie leidde. "Dit cluster laat zien dat, in sommige gevallen, de energetische output van een zwart gat kan zelfs de koeling verbeteren, met dramatische gevolgen."

Het zwarte gat bevindt zich in het centrum van een melkwegcluster genaamd de Phoenix Cluster, gelegen op ongeveer 5,8 miljard lichtjaar van de aarde in het Phoenix-sterrenbeeld. Het grote sterrenstelsel dat het zwarte gat huisvest, is omgeven door heet gas met temperaturen van miljoenen graden. De massa van dit gas, gelijk aan biljoenen zonnen, is meerdere malen groter dan de gecombineerde massa van alle sterrenstelsels in de cluster.

Dit hete gas verliest energie als het gloeit in röntgenstralen, waardoor het zou moeten afkoelen totdat het grote aantallen sterren kan vormen. Echter, in alle andere waargenomen clusters van sterrenstelsels, uitbarstingen van energie aangedreven door zo'n zwart gat zorgen ervoor dat het grootste deel van het hete gas niet afkoelt, het voorkomen van wijdverbreide stergeboorte.

"Stel je voor dat je op een warme dag een airconditioner in je huis hebt, maar dan een houtvuur maken. Je woonkamer kan pas goed afkoelen als je het vuur hebt gedoofd, zei co-auteur Brian McNamara van de Universiteit van Waterloo in Canada. wanneer het verwarmingsvermogen van een zwart gat is uitgeschakeld in een cluster van sterrenstelsels, het gas kan dan afkoelen."

Bewijs voor snelle stervorming in de Phoenix Cluster werd eerder in 2012 gemeld door een team onder leiding van McDonald. Maar er waren diepere waarnemingen nodig om details te leren over de rol van het centrale zwarte gat bij de wedergeboorte van sterren in de centrale melkweg, en hoe dat in de toekomst zou kunnen veranderen.

Door lange waarnemingen in röntgenstralen te combineren, optisch, en radiolicht, de onderzoekers behaalden een tienvoudige verbetering in de datakwaliteit in vergelijking met eerdere waarnemingen. De nieuwe Chandra-gegevens laten zien dat heet gas bijna met de verwachte snelheid afkoelt als er geen energie wordt geïnjecteerd door een zwart gat. De nieuwe Hubble-gegevens laten zien dat ongeveer 10 miljard zonnemassa's van koel gas zich bevinden langs filamenten die naar het zwarte gat leiden, en uit dit koele gas vormen zich jonge sterren met een snelheid van ongeveer 500 zonsmassa's per jaar. Ter vergelijking, sterren vormen zich in het Melkwegstelsel met een snelheid van ongeveer één zonnemassa per jaar.

De VLA-radiogegevens onthullen jets die uit de buurt van het centrale zwarte gat schieten. Deze jets hebben waarschijnlijk bellen in het hete gas opgeblazen die zijn gedetecteerd in de Chandra-gegevens. Zowel de jets als de bellen zijn het bewijs van de snelle groei van het zwarte gat in het verleden. Vroeg in deze groei het zwarte gat was mogelijk ondermaats, vergeleken met de massa van zijn gaststelsel, waardoor een snelle afkoeling ongecontroleerd zou blijven.

"Vroeger, uitbarstingen van het ondermaatse zwarte gat waren misschien gewoon te zwak om de omgeving te verwarmen, heet gas laten afkoelen, " zei co-auteur Matthew Bayliss, die tijdens deze studie onderzoeker was aan het MIT, maar is onlangs toegetreden tot de faculteit van de Universiteit van Cincinnati. "Maar naarmate het zwarte gat massiever en krachtiger is geworden, zijn invloed is toegenomen."

De afkoeling kan doorgaan wanneer het gas door de uitbarstingen van het zwarte gat uit het centrum van de cluster wordt weggevoerd. Op grotere afstand van de verhittingsinvloed van het zwarte gat, het gas koelt sneller af dan het terug kan vallen naar het midden van het cluster. Dit scenario verklaart de waarneming dat koel gas zich rond de randen van de holtes bevindt, gebaseerd op een vergelijking van de Chandra- en Hubble-gegevens.

Uiteindelijk zal de uitbarsting genoeg turbulentie veroorzaken, geluidsgolven en schokgolven (vergelijkbaar met de sonische knallen die door supersonische vliegtuigen worden geproduceerd) om warmtebronnen te leveren en verdere afkoeling te voorkomen. Dit zal doorgaan totdat de uitbarsting stopt en de opbouw van koel gas kan hervatten. De hele cyclus kan zich dan herhalen.

"Deze resultaten laten zien dat het zwarte gat tijdelijk heeft geholpen bij de vorming van sterren, maar wanneer het sterker wordt, zullen de effecten die van zwarte gaten in andere clusters gaan nabootsen, meer stergeboorte verstikken, " zei co-auteur Mark Voit van de Michigan State University in East Lansing, Michigan.

Het ontbreken van vergelijkbare objecten laat zien dat clusters en hun enorme zwarte gaten relatief snel door de snelle stervormingsfase gaan.

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, is gepubliceerd in een recent nummer van The Astrofysisch tijdschrift , en een preprint is online beschikbaar.