Astronomen hebben een type groeiend superzwaar zwart gat ontdekt dat zich voordoet als een ander, dankzij een reeks telescopen, waaronder NASA's Chandra X-ray Observatory. De ware identiteit van deze zwarte gaten helpt bij het oplossen van een langlopend mysterie in de astrofysica.

De verkeerd geïdentificeerde zwarte gaten zijn afkomstig uit een onderzoek dat bekend staat als de Chandra Deep Field-South (CDF-S), de diepste röntgenfoto ooit gemaakt.

Superzware zwarte gaten groeien door omringend materiaal aan te trekken, die wordt verwarmd en straling produceert met een breed scala aan golflengten, waaronder röntgenstralen. Veel astronomen denken dat deze groei een fase omvat, die miljarden jaren geleden gebeurde, wanneer een dichte cocon van stof en gas de meeste zwarte gaten bedekt. Deze materiaalcocons zijn de brandstofbron die het zwarte gat in staat stelt te groeien en straling te genereren.

Op basis van het huidige beeld van astronomen zouden er veel zwarte gaten moeten bestaan ​​die zijn ondergedompeld in zo'n cocon (aangeduid als "zwaar verduisterde" zwarte gaten). Echter, dit type groeiend zwart gat is notoir moeilijk te vinden, en tot nu toe is het waargenomen aantal achtergebleven bij de voorspellingen - zelfs in de diepste beelden zoals de CDF-S.

"Met onze nieuwe identificaties hebben we een aantal zwaar verduisterde zwarte gaten gevonden die eerder waren gemist, " zei Erini Lambrides van de Johns Hopkins University (JHU) in Baltimore, Maryland, die de studie leidde. "We zeggen graag dat we deze gigantische zwarte gaten hebben gevonden, maar ze waren er echt al die tijd."

De laatste studie combineerde meer dan 80 dagen Chandra-waarnemingstijd in de CDF-S met grote hoeveelheden gegevens op verschillende golflengten van andere observatoria, inclusief NASA's Hubble Space Telescope en NASA's Spitzer Space Telescope. Het team keek naar zwarte gaten op 5 miljard lichtjaar of meer afstand van de aarde. Op deze afstanden wetenschappers hadden al 67 zwaar verduisterde, groeiende zwarte gaten met zowel röntgen- als infraroodgegevens in de CDF-S. In deze laatste studie de auteurs identificeerden nog eens 28.

Deze 28 superzware zwarte gaten werden voorheen anders gecategoriseerd - ofwel als langzaam groeiende zwarte gaten met een lage dichtheid of als niet-bestaande cocons, of als verre sterrenstelsels.

"Dit kan worden beschouwd als een geval van verkeerde identiteit van een zwart gat, " zei co-auteur Marco Chiaberge van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, "maar deze zwarte gaten zijn uitzonderlijk goed in het verbergen van wat ze zijn."

Lambrides en haar collega's vergeleken hun gegevens met de verwachtingen voor een typisch groeiend zwart gat. Met behulp van gegevens van alle golflengten behalve röntgenstralen, ze voorspelden de hoeveelheid röntgenstraling die ze van elk zwart gat zouden moeten detecteren. De onderzoekers vonden een veel lager niveau van röntgenstralen dan ze hadden verwacht van 28 bronnen, wat inhoudt dat de cocon om hen heen ongeveer tien keer dichter is dan wetenschappers eerder voor deze objecten hadden geschat.

Rekening houdend met de hogere dichtheid van de cocon, het team toonde aan dat de verkeerd geïdentificeerde zwarte gaten meer röntgenstraling produceren dan eerder werd gedacht, maar de dichtere cocon verhindert dat de meeste van deze röntgenstralen ontsnappen en de Chandra-telescoop bereiken. Dit betekent dat ze sneller groeien.

Eerdere groepen pasten de analysetechniek van Lambrides en haar team niet toe, noch hebben ze de volledige set gegevens gebruikt die beschikbaar zijn voor de CDF-S, waardoor ze weinig informatie over de dichtheid van de cocons.

Deze resultaten zijn belangrijk voor theoretische modellen die het aantal zwarte gaten in het heelal en hun groeisnelheid schatten, inclusief die met verschillende hoeveelheden verduistering (met andere woorden, hoe dicht hun cocons zijn). Wetenschappers ontwerpen deze modellen om een ​​uniforme gloed in röntgenstralen aan de hemel te verklaren, de "röntgenachtergrond, " voor het eerst ontdekt in de jaren 1960. Individueel groeiende zwarte gaten waargenomen in afbeeldingen zoals de CDF-S zijn verantwoordelijk voor het grootste deel van de röntgenachtergrond.

De röntgenachtergrond die momenteel niet in afzonderlijke bronnen is opgelost, wordt gedomineerd door röntgenstralen met energieën boven de drempelwaarde die Chandra kan detecteren. Zwaar verduisterde zwarte gaten zijn een natuurlijke verklaring voor deze onopgeloste component, omdat röntgenstralen met lagere energie meer door de cocon worden geabsorbeerd dan die met hoge energie, en zijn daardoor minder waarneembaar. De extra zwaar verduisterde zwarte gaten die hier worden gerapporteerd, helpen eerdere verschillen tussen de theoretische modellen en waarnemingen met elkaar te verzoenen.

"Het is alsof de röntgenachtergrond een wazig beeld is dat al tientallen jaren langzaam in beeld komt, " zei co-auteur Roberto Gilli van het National Institute of Astrophysics (INAF) in Bologna, Italië. "Ons werk omvatte het begrijpen van de aard van de objecten die een van de laatste zijn die zijn opgelost."

Naast het helpen verklaren van de röntgenachtergrond, deze resultaten zijn belangrijk voor het begrijpen van de evolutie van superzware zwarte gaten en hun gastheerstelsels. De massa's van sterrenstelsels en hun superzware zwarte gaten zijn met elkaar gecorreleerd, wat betekent dat hoe massiever de melkweg, hoe massiever het zwarte gat.

Een paper met de resultaten van deze studie wordt gepubliceerd in The Astrofysisch tijdschrift . De andere auteurs van het artikel zijn Timothy Heckman van JHU; Fabio Vito van Pontificia Universidad Católica de Chile, in Santiago, Chili; en Colin Norman van JHU.

NASA's Marshall Space Flight Center beheert het Chandra-programma. Het Chandra X-ray Center van het Smithsonian Astrophysical Observatory bestuurt wetenschap en vluchtoperaties vanuit Cambridge en Burlington, Massachusetts.