Wetenschap
Röntgensatelliet XMM-Newton ziet ruimteklaver in een nieuw licht
Astronomen hebben rond sommige sterrenstelsels enorme cirkelvormige radiokenmerken van onbekende oorsprong ontdekt. Nieuwe waarnemingen van een exemplaar dat het Klaverblad wordt genoemd, suggereren dat het is ontstaan door botsende groepen sterrenstelsels.
Het bestuderen van deze structuren, gezamenlijk ORC's (oneven radiocirkels) genoemd, in een ander soort licht bood wetenschappers de kans om alles te onderzoeken, van supersonische schokgolven tot het gedrag van zwarte gaten.
"Dit is de eerste keer dat iemand röntgenstraling heeft gezien die verband houdt met een ORC", zegt Esra Bulbul, een astrofysicus aan het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica in Garching, Duitsland, die het onderzoek leidde. "Het was de ontbrekende sleutel om het geheim van de formatie van het Klaverblad te ontsluiten."
Een artikel waarin de resultaten worden beschreven, is gepubliceerd in Astronomy &Astrophysics op 30 april.
Een toevallige ontdekking
Tot 2021 wist niemand dat ORC’s bestonden. Dankzij verbeterde technologie werden radioonderzoeken gevoelig genoeg om zulke zwakke signalen op te vangen. In de loop van een paar jaar ontdekten astronomen acht van deze vreemde structuren die willekeurig verspreid waren buiten onze Melkweg. Elk daarvan is groot genoeg om een heel sterrenstelsel te omhullen, soms meerdere.
"De kracht die nodig is om zo'n uitgebreide radio-emissie te produceren is erg sterk", zei Bulbul. "Sommige simulaties kunnen hun vormen reproduceren, maar niet hun intensiteit. Geen enkele simulatie legt uit hoe je ORC's kunt maken."
Toen Bulbul ontdekte dat ORC's niet in röntgenlicht waren onderzocht, begonnen zij en postdoctoraal onderzoeker Xiaoyuan Zhang de gegevens van eROSITA (Extended Roentgen Survey with an Imaging Telescope Array) te bestuderen, een in een baan om de aarde draaiende Duits/Russische röntgentelescoop. Ze merkten röntgenstraling op die leek alsof deze afkomstig zou kunnen zijn van het Klaverblad, gebaseerd op minder dan zeven minuten observatietijd.
Dat gaf hen voldoende argumenten om een groter team samen te stellen en extra telescooptijd veilig te stellen met XMM-Newton, een ESA-missie (European Space Agency) met bijdragen van NASA.
"We kregen ongeveer vijf en een half uur de tijd en de gegevens kwamen laat op een avond in november binnen", zei Bulbul. "Ik heb het doorgestuurd naar Xiaoyuan, en hij kwam de volgende ochtend mijn kantoor binnen en zei:'Detectie', en ik begon gewoon te juichen!"
"We hebben echt geluk gehad", zei Zhang. "We zagen verschillende plausibele röntgenpuntbronnen dichtbij de ORC in eROSITA-waarnemingen, maar niet de uitgebreide emissie die we zagen met XMM-Newton. Het blijkt dat de eROSITA-bronnen niet afkomstig konden zijn van het Klaverblad, maar het was overtuigend genoeg zodat we er eens goed naar kunnen kijken."
Draaiende sterrenstelsels
De röntgenstraling volgt de distributie van gas binnen de groep sterrenstelsels, zoals politietape rond een plaats delict. Door te zien hoe dat gas is verstoord, hebben wetenschappers vastgesteld dat sterrenstelsels ingebed in het Klaverblad eigenlijk lid zijn van twee afzonderlijke groepen die dicht genoeg bij elkaar kwamen om samen te smelten. De temperatuur van de emissie geeft ook een indicatie van het aantal betrokken sterrenstelsels.
Wanneer sterrenstelsels samenkomen, vergroot hun hogere gecombineerde massa hun zwaartekracht. Omringend gas begint naar binnen te vallen, waardoor het binnenvallende gas wordt verwarmd. Hoe groter de massa van het systeem, hoe heter het gas wordt.
Gebaseerd op het röntgenspectrum van de emissie, is het ongeveer 15 miljoen graden Fahrenheit, of tussen de 8 en 9 miljoen graden Celsius. "Uit deze meting kunnen we afleiden dat de Cloverleaf ORC wordt gehost door een tiental sterrenstelsels die naar elkaar toe zijn aangetrokken, wat overeenkomt met wat we zien in beelden met diep zichtbaar licht", aldus Zhang.
Het team stelt voor dat de fusie schokgolven veroorzaakte die deeltjes versnelden om radio-emissie te creëren.
"Sterrenstelsels werken voortdurend met elkaar samen en vloeien samen", zegt Kim Weaver, de NASA-projectwetenschapper voor XMM-Newton bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, die niet bij het onderzoek betrokken was. ‘Maar de bron van de versnelde deeltjes is onduidelijk. Een fascinerend idee voor het krachtige radiosignaal is dat de aanwezige superzware zwarte gaten in het verleden perioden van extreme activiteit hebben doorgemaakt, en dat de overgebleven elektronen uit die oude activiteit opnieuw zijn versneld door deze samensmeltende gebeurtenis. "
Hoewel fusies van sterrenstelselgroepen gebruikelijk zijn, zijn ORC's zeer zeldzaam. En het is nog steeds onduidelijk hoe deze interacties zulke sterke radio-emissies kunnen veroorzaken.
"Fusies vormen de ruggengraat van structuurvorming, maar er is iets speciaals in dit systeem dat de radio-emissie omhoog schiet", zei Bulbul. "We kunnen op dit moment niet zeggen wat het is, dus we hebben meer en diepere gegevens nodig van zowel radio- als röntgentelescopen."
Het team loste het mysterie van de aard van de Cloverleaf ORC op, maar opende ook aanvullende vragen. Ze zijn van plan het Klaverblad gedetailleerder te bestuderen om antwoorden te achterhalen.
"We kunnen veel leren van grondigere observaties, omdat bij deze interacties allerlei soorten wetenschap betrokken zijn", zegt Weaver. "Je hebt vrijwel alles waarmee we in de kosmos te maken hebben, samengebracht in dit kleine pakketje. Het is net een mini-universum."