Miljarden jaren geleden, in het centrum van een cluster van sterrenstelsels ver, ver weg (15 miljard lichtjaar, Om precies te zijn), een zwart gat spuwde stralen plasma uit. Terwijl het plasma uit het zwarte gat snelde, het duwde materiaal weg, het creëren van twee grote holtes 180 graden van elkaar. Op dezelfde manier kun je de energie van een asteroïde-inslag berekenen door de grootte van zijn krater, Michael Calzadilla, een afgestudeerde student aan het MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research (MKI), gebruikte de grootte van deze holtes om de kracht van de uitbarsting van het zwarte gat te berekenen.

In een recent artikel in de Astrofysische journaalbrieven , Calzadilla en zijn co-auteurs beschrijven de uitbarsting in cluster SPT-CLJ0528-5300, of kortweg SPT-0528. Door het volume en de druk van het verplaatste gas te combineren met de leeftijd van de twee holtes, ze waren in staat om de totale energie van de uitbarsting te berekenen. Bij meer dan 10 ⁵⁴ joule energie, een kracht gelijk aan ongeveer 10 ³⁸ nucleaire bommen, dit is de krachtigste uitbarsting die is gemeld in een verre cluster van sterrenstelsels. Medeauteurs van het artikel zijn onder meer MKI-onderzoeker Matthew Bayliss en assistent-professor natuurkunde Michael McDonald.

Het universum is bezaaid met clusters van sterrenstelsels, verzamelingen van honderden en zelfs duizenden sterrenstelsels die doordrongen zijn van heet gas en donkere materie. In het midden van elke cluster bevindt zich een zwart gat, die perioden van voeding doormaakt, waar het plasma uit de cluster opslokt, gevolgd door perioden van explosieve uitbarstingen, waar het plasmastralen uitstraalt zodra het zijn vulling heeft bereikt. "Dit is een extreem geval van de uitbarstingsfase, " zegt Calzadilla over hun observatie van SPT-0528. Hoewel de uitbarsting miljarden jaren geleden plaatsvond, voordat ons zonnestelsel zelfs maar gevormd was, het duurde ongeveer 6,7 miljard jaar voordat het licht van de melkwegcluster helemaal naar Chandra reisde, NASA's observatorium voor röntgenstraling dat in een baan om de aarde draait.

Omdat clusters van sterrenstelsels vol gas zitten, vroege theorieën over hen voorspelden dat als het gas afkoelde, de clusters zouden een hoge mate van stervorming zien, die koel gas nodig hebben om te vormen. Echter, deze clusters zijn niet zo cool als voorspeld en, als zodanig, produceerden geen nieuwe sterren in het verwachte tempo. Iets verhinderde dat het gas volledig afkoelde. De boosdoeners waren superzware zwarte gaten, wiens uitbarstingen van plasma het gas in clusters van sterrenstelsels te warm houden voor snelle stervorming.

De opgenomen uitbarsting in SPT-0528 heeft nog een bijzonderheid die hem onderscheidt van andere uitbarstingen van zwarte gaten. Het is onnodig groot. Astronomen beschouwen het proces van gaskoeling en het vrijkomen van heet gas uit zwarte gaten als een evenwicht dat de temperatuur in de cluster van sterrenstelsels - die rond de 18 miljoen graden Fahrenheit zweeft - stabiel houdt. "Het is als een thermostaat, " zegt McDonald. De uitbarsting in SPT-0528, echter, niet in evenwicht is.

Volgens Calzadilla, als je kijkt naar hoeveel energie er vrijkomt als gas afkoelt op het zwarte gat versus hoeveel energie er in de uitbarsting zit, de uitbarsting is enorm overdreven. Naar analogie van McDonald's, de uitbarsting in SPT-0528 is een defecte thermostaat. "Het is alsof je de lucht 2 graden hebt afgekoeld, en de reactie van de thermostaat was om de kamer 100 graden te verwarmen, "McDonald legt uit.

Eerder in 2019, McDonald en collega's hebben een paper uitgebracht waarin ze kijken naar een ander cluster van sterrenstelsels, een die een volledig tegengesteld gedrag vertoont aan die van SPT-0528. In plaats van een onnodig gewelddadige uitbarsting, het zwarte gat in deze cluster, genaamd Phoenix, kan niet voorkomen dat het gas afkoelt. In tegenstelling tot alle andere bekende clusters van sterrenstelsels, Phoenix staat vol met jonge sterrenkwekerijen, waardoor het zich onderscheidt van de meeste clusters van sterrenstelsels.

"Met deze twee clusters van sterrenstelsels, we kijken echt naar de grenzen van wat mogelijk is aan de twee uitersten, " McDonald zegt over SPT-0528 en Phoenix. Hij en Calzadilla zullen ook de meer normale melkwegclusters karakteriseren, om de evolutie van clusters van sterrenstelsels in de kosmische tijd te begrijpen. Om dit te onderzoeken, Calzadilla kenmerkt 100 clusters van sterrenstelsels.

De reden voor het karakteriseren van zo'n grote verzameling melkwegclusters is omdat elk telescoopbeeld de clusters op een specifiek moment in de tijd vastlegt, terwijl hun gedrag zich in de kosmische tijd afspeelt. Deze clusters bestrijken verschillende afstanden en leeftijden, waardoor Calzadilla kan onderzoeken hoe de eigenschappen van clusters in de loop van de kosmische tijd veranderen. "Dit zijn tijdschalen die veel groter zijn dan een menselijke tijdschaal of wat we kunnen waarnemen, ", legt Calzadilla uit.

Het onderzoek is vergelijkbaar met dat van een paleontoloog die de evolutie van een dier probeert te reconstrueren uit een schaars fossielenbestand. Maar, in plaats van botten, Calzadilla bestudeert clusters van sterrenstelsels, variërend van SPT-0528 met zijn gewelddadige plasma-uitbarsting aan de ene kant tot Phoenix met zijn snelle afkoeling aan de andere kant. "Je kijkt naar verschillende momentopnames in de tijd, ", zegt Calzadilla. "Als je monsters bouwt die groot genoeg zijn van elk van die snapshots, je kunt een idee krijgen hoe een cluster van sterrenstelsels evolueert."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.