Wanneer astronomen radiotelescopen gebruiken om naar de nachtelijke hemel te staren, zien ze meestal elliptisch gevormde sterrenstelsels, met twee stralen die aan weerszijden van hun centrale superzware zwarte gat schieten. Maar af en toe - minder dan 10% van de tijd - kunnen astronomen iets speciaals en zeldzaams zien:een X-vormig radiostelsel, met vier jets die zich tot ver in de ruimte uitstrekken.

Hoewel deze mysterieuze X-vormige radiosterrenstelsels astrofysici al twee decennia in verwarring brengen, werpt een nieuwe studie van de Northwestern University nieuw inzicht in hoe ze zich vormen - en het is verrassend eenvoudig. Uit de studie bleek ook dat X-vormige radiosterrenstelsels vaker voorkomen dan eerder werd gedacht.

Het onderzoek wordt op 29 augustus gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters . Het markeert de eerste grootschalige aanwassimulatie van sterrenstelsels die het galactische gas volgt, ver van het superzware zwarte gat, helemaal naar toe.

Eenvoudige voorwaarden leiden tot rommelig resultaat

Met behulp van nieuwe simulaties hebben de noordwestelijke astrofysici eenvoudige voorwaarden geïmplementeerd om de voeding van een superzwaar zwart gat en de organische vorming van zijn jets en accretieschijf te modelleren. Toen de onderzoekers de simulatie uitvoerden, leidden de eenvoudige omstandigheden organisch en onverwacht tot de vorming van een X-vormig radiostelsel.

Verrassend genoeg ontdekten de onderzoekers dat de karakteristieke X-vorm van het sterrenstelsel het gevolg was van de interactie tussen de jets en het gas dat in het zwarte gat viel. In het begin van de simulatie deed het invallende gas de nieuw gevormde jets afbuigen, die aan en uit gingen, grillig wiebelden en paren holtes in verschillende richtingen opbliezen om op een X-vorm te lijken. Uiteindelijk werden de jets echter sterk genoeg om door het gas te duwen. Op dit punt stabiliseerden de jets, stopten met wiebelen en verspreidden zich langs één as.

"We ontdekten dat je zelfs met eenvoudige symmetrische beginvoorwaarden een behoorlijk rommelig resultaat kunt hebben", zei Aretaios Lalakos van Northwestern, die het onderzoek leidde. "Een populaire verklaring voor X-vormige radiosterrenstelsels is dat twee sterrenstelsels botsen, waardoor hun superzware zwarte gaten samensmelten, wat de spin van het overgebleven zwarte gat en de richting van de jet verandert. Een ander idee is dat de vorm van de jet verandert als het interageert met grootschalig gas dat een geïsoleerd superzwaar zwart gat omhult. Nu hebben we voor het eerst onthuld dat X-vormige radiosterrenstelsels in feite op een veel eenvoudigere manier kunnen worden gevormd."

Lalakos is een afgestudeerde student aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern en is lid van het Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Hij wordt mede geadviseerd door Sasha Tchekhovskoy, een assistent-professor natuurkunde en astronomie aan Northwestern en een belangrijk lid van CIERA, en Ore Gottlieb, een postdoctoraal onderzoeker van CIERA.

Een toevallige X-vorm

Hoewel radiosterrenstelsels zichtbaar licht uitzenden, omvatten ze ook grote gebieden met radiostraling. Misschien wel het beroemdste radiostelsel is M87, een van de meest massieve sterrenstelsels in het universum, dat in 2019 verder werd gepopulariseerd toen de Event Horizon-telescoop zijn centrale superzware zwarte gat in beeld bracht. X-vormige radiostelsels, voor het eerst bedacht in 1992, vormen minder dan 10% van alle radiostelsels.

Toen Lalakos een zwart gat ging modelleren, verwachtte hij niet dat hij een X-vormig sterrenstelsel zou simuleren. In plaats daarvan probeerde hij de hoeveelheid massa te meten die door een zwart gat wordt gegeten. Hij voerde eenvoudige astronomische omstandigheden in de simulatie in en liet deze draaien. Lalakos zag aanvankelijk het belang van de opkomende X-vorm niet in, maar Tchekhovskoy reageerde enthousiast.

"Hij zei:'Kerel, dit is heel belangrijk! Dit is een X-vorm!'", zei Lalakos. "Hij vertelde me dat astronomen dit in het echte leven hebben waargenomen en niet wisten hoe ze gevormd zijn. We hebben het gemaakt op een manier waarop niemand eerder had gespeculeerd."

In eerdere simulaties hebben andere astrofysici geprobeerd om X-vormige structuren kunstmatig te creëren om te bestuderen hoe ze ontstaan. Maar de simulatie van Lalakos leidde organisch tot de X-vorm.

"In mijn simulatie probeerde ik niets aan te nemen," zei Lalakos. "Meestal plaatsen onderzoekers een zwart gat in het midden van een simulatieraster en plaatsen er een grote, reeds gevormde gasvormige schijf omheen, en dan kunnen ze omgevingsgas buiten de schijf toevoegen. In deze studie begint de simulatie zonder een schijf, maar al snel vormt zich er een als het roterende gas dichter bij het zwarte gat komt. Deze schijf voedt vervolgens het zwarte gat en creëert stralen. Ik maakte de eenvoudigste aannames mogelijk, dus de hele uitkomst was een verrassing. Dit is de eerste keer dat iemand X heeft gezien. -vormige morfologie in simulaties van zeer eenvoudige beginvoorwaarden."

'Niet het geluk om ze te zien'

Omdat de X-vorm pas vroeg in de simulatie naar voren kwam - totdat de jets sterker en gestabiliseerd werden - gelooft Lalakos dat X-vormige radiosterrenstelsels vaker zullen verschijnen, maar een zeer korte tijd zullen duren, in het universum dan eerder werd gedacht.

"Ze kunnen ontstaan ​​​​elke keer dat het zwarte gat nieuw gas krijgt en opnieuw begint te eten," zei hij. "Dus ze kunnen vaak voorkomen, maar we hebben misschien niet het geluk om ze te zien, omdat ze alleen gebeuren zolang de kracht van de jet te zwak is om het gas weg te duwen."

Vervolgens is Lalakos van plan om door te gaan met het uitvoeren van simulaties om beter te begrijpen hoe deze X-vormen ontstaan. Hij kijkt ernaar uit om te experimenteren met de grootte van de accretieschijven en spins van centrale zwarte gaten. In andere simulaties gebruikte Lalakos accretieschijven die bijna niet bestonden tot extreem groot - geen enkele leidde tot de ongrijpbare X-vorm.

"Voor het grootste deel van het universum is het onmogelijk om precies in het midden in te zoomen en te zien wat er vlakbij een zwart gat gebeurt", zei Lalakos. "En zelfs de dingen die we kunnen observeren, zijn we beperkt door de tijd. Als het superzware zwarte gat al is gevormd, kunnen we zijn evolutie niet waarnemen omdat de menselijke levensduur te kort is. In de meeste gevallen vertrouwen we op simulaties om te begrijpen wat er gebeurt in de buurt van een zwart gat."

De studie is getiteld "Bridging the Bondi and Event Horizon Scales:3D GRMHD-simulaties onthullen X-vormige morfologie van radiosterrenstelsels." + Verder verkennen

NGC 541 voedt een onregelmatig sterrenstelsel in nieuwe Hubble-afbeelding