Wetenschap
NASA's Chandra identificeert een ondermaats zwart gat
Astronomen hebben onthuld dat een briljant superzwaar zwart gat niet aan de verwachtingen voldoet. Hoewel het verantwoordelijk is voor hoge stralingsniveaus en krachtige jets, is dit gigantische zwarte gat niet zo invloedrijk als veel van zijn tegenhangers in andere sterrenstelsels.
In een nieuwe studie met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory werd gekeken naar de dichtstbijzijnde quasar bij de aarde, die zich in een cluster van sterrenstelsels bevindt. Quasars zijn een zeldzame en extreme klasse van superzware zwarte gaten die materiaal naar binnen trekken en intense straling en soms krachtige jets produceren. Deze nieuw bestudeerde quasar, bekend als H1821+643, bevindt zich op ongeveer 3,4 miljard lichtjaar van de aarde en bevat een zwart gat dat ongeveer vier miljard keer zoveel weegt als de zon.
De meeste groeiende superzware zwarte gaten trekken materiaal minder snel naar binnen dan die in quasars. Astronomen hebben de impact van deze meer voorkomende zwarte gaten bestudeerd door gaten in de centra van clusters van sterrenstelsels te observeren. Regelmatige uitbarstingen van dergelijke zwarte gaten voorkomen dat de enorme hoeveelheden oververhit gas waarin ze zijn ingebed, afkoelen, wat beperkt hoeveel sterren er in hun gaststelsels worden gevormd en hoeveel brandstof er naar het zwarte gat wordt gesluisd.
Er is veel minder bekend over hoeveel invloed quasars in clusters van sterrenstelsels hebben op hun omgeving.
"We hebben ontdekt dat de quasar in ons onderzoek een groot deel van de controle lijkt te hebben opgegeven die wordt opgelegd door langzamer groeiende zwarte gaten", zegt Helen Russell van de Universiteit van Nottingham in het Verenigd Koninkrijk, die het nieuwe onderzoek leidde. "De eetlust van het zwarte gat wordt niet geëvenaard door zijn invloed."
Om tot deze conclusie te komen heeft het team Chandra gebruikt om het hete gas te bestuderen waarin H1821+643 en zijn gaststelsel zijn gehuld. De heldere röntgenstraling van de quasar maakte het echter moeilijk om de zwakkere röntgenstraling van het hete gas te bestuderen. .
"We moesten de röntgenstraling zorgvuldig verwijderen om te onthullen wat de invloed van het zwarte gat is", zegt co-auteur Paul Nulsen van het Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian. "We konden dan zien dat het eigenlijk weinig effect heeft op de omgeving."
Met behulp van Chandra ontdekte het team dat de gasdichtheid nabij het zwarte gat in het centrum van de Melkweg veel hoger is, en de gastemperaturen veel lager, dan in verder weg gelegen gebieden. Wetenschappers verwachten dat het hete gas zich zo zal gedragen als er weinig of geen energie-input is (die doorgaans afkomstig is van uitbarstingen van een zwart gat) om te voorkomen dat het hete gas afkoelt en naar het centrum van de cluster stroomt.
‘Het gigantische zwarte gat genereert veel minder warmte dan de meeste andere in de centra van clusters van sterrenstelsels’, zegt medeauteur Lucy Clews van de Open Universiteit in Groot-Brittannië. “Hierdoor kan het hete gas snel afkoelen en nieuwe sterren vormen, en tevens fungeren als brandstofbron voor het zwarte gat.”
De onderzoekers stelden vast dat heet gas – overeenkomend met ongeveer 3000 maal de massa van de zon per jaar – zodanig afkoelt dat het niet langer zichtbaar is op röntgenfoto’s. Deze snelle afkoeling kan gemakkelijk genoeg materiaal opleveren voor de 120 zonsmassa's van nieuwe sterren die elk jaar in het gaststelsel worden gevormd, en de 40 zonsmassa's die het zwarte gat elk jaar verbruikt.
Het team onderzocht ook de mogelijkheid dat de straling van de quasar er rechtstreeks voor zorgt dat het hete gas van de cluster afkoelt. Hierbij botsen fotonen van licht uit de quasar met elektronen in het hete gas, waardoor de fotonen energieker worden en de elektronen energie verliezen en afkoelen. Uit het onderzoek van het team blijkt dat dit soort koeling waarschijnlijk plaatsvindt in de cluster met H1821+643, maar dat deze veel te zwak is om de grote hoeveelheid gaskoeling te verklaren.
"Hoewel dit zwarte gat misschien ondermaats presteert door geen warmte in zijn omgeving te pompen, zal de huidige stand van zaken waarschijnlijk niet eeuwig duren", zegt co-auteur Thomas Braben van de Universiteit van Nottingham. "Uiteindelijk zou de snelle brandstofinname door het zwarte gat de kracht van zijn jets moeten vergroten en het gas sterk moeten verwarmen. De groei van het zwarte gat en zijn sterrenstelsel zou dan drastisch moeten vertragen."
Een artikel waarin deze resultaten worden beschreven, is opgenomen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en is ook beschikbaar op de arXiv preprint-server.