Een nieuwe studie gepubliceerd in Nature Astronomy beschrijft het meest lichtgevende object dat ooit door astronomen is waargenomen. Het is een zwart gat met een massa van 17 miljard zonnen, dat elke dag een grotere hoeveelheid massa opslokt dan de zon.

Het is al tientallen jaren bekend, maar omdat hij zo helder is, gingen astronomen ervan uit dat het een nabije ster moest zijn. Alleen recente waarnemingen brachten de extreme afstand en helderheid aan het licht.

Het object heeft de naam J0529-4351 gekregen. Deze naam verwijst eenvoudigweg naar de coördinaten op de hemelbol – een manier om de objecten in de lucht op de binnenkant van een bol te projecteren. Het is een soort object dat een quasar wordt genoemd.

De fysieke aard van quasars was aanvankelijk onbekend. Maar in 1963 werd het zichtbare licht van een quasar genaamd 3C 273 opgesplitst in al zijn golflengten (bekend als zijn spectrum). Hieruit bleek dat het zich op een afstand van bijna 2 miljard lichtjaar bevond.

Gezien hoe helder 3C 273 voor ons lijkt en hoe ver weg het is, moet het extreem lichtgevend zijn – een term in de astronomie die verwijst naar de hoeveelheid licht die een object in een tijdseenheid uitstraalt. De enige bekende krachtbron voor zulke extreme helderheid was het materiaal dat in een superzwaar zwart gat viel. Quasars zijn daarom de meest actief groeiende zwarte gaten in het heelal.

Stroombron

Superzware zwarte gaten bevinden zich vaak in de centra van sterrenstelsels. Zoals alle quasars wordt J0529-4351 aangedreven door materiaal, voornamelijk oververhit waterstof- en heliumgas, dat vanuit het omringende sterrenstelsel in zijn zwarte gat valt.

Elke dag valt ongeveer één keer de massa van de zon in dit zwarte gat. Hoeveel gas precies naar het centrum van sterrenstelsels kan worden gekanaliseerd om de massa van zwarte gaten te vergroten, is een onbeantwoorde vraag in de astrofysica.

In het centrum van het sterrenstelsel vormt het gas een dunne schijfvorm. De eigenschappen viscositeit (weerstand tegen de stroming van materie in de ruimte) en wrijving in de dunne schijf helpen het gas tot tienduizenden graden Celsius te verwarmen. Dit is heet genoeg om te gloeien wanneer het wordt bekeken op ultraviolette en zichtbare lichtgolflengten. Het is die gloed die we vanaf de aarde kunnen waarnemen.

Met een massa van ongeveer 17 miljard zonnen is J0529-4351 niet het meest massieve bekende zwarte gat. Eén object, in het centrum van de sterrenhoop Abell 1201, staat gelijk aan 30 miljard zonnen. We moeten echter niet vergeten dat vanwege de tijd die het licht nodig heeft om de enorme afstand tussen dit object en de aarde af te leggen, we er getuige van zijn toen het universum nog maar 1,5 miljard jaar oud was. Het is nu ongeveer 13,7 miljard jaar oud.

Dit zwarte gat moet dus tegen de tijd dat het werd waargenomen gedurende een aanzienlijk deel van de leeftijd van het heelal in dit tempo zijn gegroeid of gegroeid. De auteurs zijn van mening dat de gasaanwas door het zwarte gat dicht bij de limiet van de natuurkundige wetten plaatsvindt. Snellere accretie veroorzaakt een helderder gasschijf rond het zwarte gat, die op zijn beurt kan voorkomen dat er nog meer materiaal naar binnen valt.

Verhaal van de ontdekking

J0529-4351 is al tientallen jaren bekend, maar ondanks dat het een accretieschijf van gas heeft die 15.000 keer groter is dan ons zonnestelsel en zijn eigen sterrenstelsel bezet – dat waarschijnlijk dichtbij de grootte van de Melkweg ligt – is het zo ver weg dat het verschijnt als een enkel lichtpuntje in onze telescopen.

Dit betekent dat het moeilijk te onderscheiden is van de miljarden sterren in ons eigen sterrenstelsel. Om te ontdekken dat het in feite een ver, krachtig, superzwaar zwart gat is, waren wat complexere technieken nodig. Ten eerste verzamelden astronomen licht uit het midden van de infrarode golfband (licht met veel langere golflengten dan we kunnen zien).

Sterren en quasars zien er op die golflengten heel anders uit. Om de waarneming te bevestigen werd een spectrum opgenomen (net als bij de quasar 3C 273), met behulp van de 2,3 meter telescoop van de Australian National University in Siding Spring Observatory, New South Wales.

En net als bij 3C 273 onthulde het spectrum zowel de aard van het object als hoe ver het verwijderd was:12 miljard lichtjaar. Dit benadrukte hoe extreem de helderheid ervan moet zijn.

Gedetailleerde controles

Ondanks deze metingen moesten er een aantal controles worden uitgevoerd om de werkelijke helderheid van de quasar te bevestigen. Ten eerste moesten astronomen er zeker van zijn dat het licht niet was vergroot door een bron aan de hemel die zich dichter bij de aarde bevond. Net als lenzen die in brillen of verrekijkers worden gebruikt, kunnen sterrenstelsels als lenzen fungeren. Ze zijn zo compact dat ze het licht van verder weg gelegen bronnen, die perfect achter hen liggen, kunnen buigen en vergroten.

Gegevens van de Gaia-satelliet van de European Space Agency, die uiterst nauwkeurige metingen heeft van de positie van J0529-4351, werden gebruikt om vast te stellen dat J0529-4351 werkelijk een enkele lichtbron zonder lens aan de hemel is. Dit wordt ondersteund door meer gedetailleerde spectra die zijn vastgelegd met de Very Large Telescope (VLT)-faciliteit van de European Southern Observatory in Chili.

J0529-4351 zal waarschijnlijk een zeer belangrijk hulpmiddel worden voor de toekomstige studie van quasars en de groei van zwarte gaten. De massa van zwarte gaten is een fundamentele eigenschap, maar is zeer moeilijk direct te meten, omdat er geen standaardweegschaal bestaat voor zulke absurd grote, mysterieuze objecten.

Eén techniek is het meten van het effect dat het zwarte gat heeft op meer diffuus gas dat er in grote wolken omheen draait, het zogenaamde "brede lijngebied". Dit gas wordt in het spectrum onthuld via brede "emissielijnen", die worden veroorzaakt doordat elektronen tussen specifieke energieniveaus in het geïoniseerde gas springen.

De breedte van deze lijnen houdt rechtstreeks verband met de massa van het zwarte gat, maar de kalibratie van deze relatie is zeer slecht getest voor de meest lichtgevende objecten zoals J0529-4351. Omdat het echter fysiek zo groot en zo lichtgevend is, zal J0529-4351 waarneembaar zijn door een nieuw instrument dat op de VLT wordt geïnstalleerd, genaamd Gravity+.

Dit instrument zal een directe meting van de massa van het zwarte gat uitvoeren en de relaties kalibreren die worden gebruikt om de massa's van andere objecten met een hoge helderheid te schatten.

Journaalinformatie: Natuurastronomie

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.