Een gigantische jet vanuit een zwart gat in het vroege heelal

Astronomen hebben met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory (*) bewijs gevonden voor een buitengewoon lange straal deeltjes afkomstig van een superzwaar zwart gat in het vroege heelal.

Als dit wordt bevestigd, zou het het meest verre superzware zwarte gat zijn met een straal die wordt gedetecteerd in röntgenstralen. Afkomstig uit een melkwegstelsel op ongeveer 12,7 miljard lichtjaar van de aarde, kan de straal helpen verklaren hoe de grootste zwarte gaten zich in een zeer vroege tijd in de geschiedenis van het universum hebben gevormd.

Tekening: Röntgen: NASA / CXO / JPL / T. Connor; Optisch: Gemini / NOIRLab / NSF / AURA; Infrarood: W.M. Keck Observatorium; Illustratie: NASA / CXC / M.Weiss

De bron van de jet is een quasar - een snelgroeiend superzwaar zwart gat - genaamd PSO J352.4034-15.3373 (afgekort PJ352-15), dat zich in het centrum van een jong sterrenstelsel bevindt. Het is een van de twee krachtigste quasars die zijn gedetecteerd in radiogolven in de eerste miljard jaar na de oerknal, en is ongeveer een miljard keer zo zwaar als de zon.

Hoe konden superzware zwarte gaten zo snel groeien om zo'n enorme massa te bereiken in dit vroege tijdperk van het universum? Dit is tegenwoordig een van de belangrijkste vragen in de astronomie.

Ondanks hun sterke zwaartekracht en angstaanjagende reputatie trekken zwarte gaten niet onvermijdelijk alles naar binnen dat hen in de buurt nadert. Materiaal dat rond een zwart gat in een schijf draait, moet snelheid en energie verliezen voordat het verder naar binnen kan vallen om de zogenaamde waarnemingshorizon (the event horizon) te passeren, het “point of no return”. Magnetische velden kunnen een remmend effect hebben op de schijf terwijl ze een jet aandrijven, wat een belangrijke manier is voor materiaal in de schijf om energie te verliezen en daardoor de groeisnelheid van zwarte gaten te versnellen.

"Als een draaimolen op een speelplaats te snel beweegt, is het moeilijk voor een kind om naar het centrum te gaan, dus moet iemand of iets de rit vertragen", zegt Thomas Connor van NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena. , Californië, die de studie leidde. "Rond superzware zwarte gaten denken we dat jets genoeg energie kunnen wegnemen zodat materiaal naar binnen kan vallen en het zwarte gat kan groeien."

Astronomen moesten PJ352-15 in totaal drie dagen observeren met behulp van het scherpe zicht van Chandra om bewijs voor de röntgenstraal te detecteren. Röntgenstraling werd gedetecteerd op ongeveer 160.000 lichtjaar afstand van de quasar in dezelfde richting als veel kortere jets die eerder in radiogolven werden waargenomen door de Very Long Baseline Array (**). Ter vergelijking: de hele Melkweg meet ongeveer 100.000 lichtjaar in doorsnede.

PJ352-15 breekt een aantal verschillende astronomische records. Ten eerste was de langste jet die eerder werd waargenomen vanaf de eerste miljard jaar na de oerknal slechts ongeveer 5.000 lichtjaar lang, wat overeenkomt met de radio-waarnemingen van PJ352-15. Ten tweede is de PJ352-15 ongeveer 300 miljoen lichtjaar verder weg dan de verste röntgenstraal die daarvoor is geregistreerd.

"De lengte van deze jet is aanzienlijk omdat het betekent dat het superzware zwarte gat dat hem aandrijft, al geruime tijd groeit", zei co-auteur Eduardo Bañados van het Max Planck Instituut voor Astronomie (MPIA) in Heidelberg, Duitsland. "Dit resultaat onderstreept hoe röntgenonderzoeken van verre quasars een cruciale manier bieden om de groei van de meest verre superzware zwarte gaten te bestuderen."

Het licht dat door deze jet werd gedetecteerd, werd uitgezonden toen het universum nog maar 0,98 miljard jaar oud was, minder dan een tiende van zijn huidige leeftijd. Op dit punt was de intensiteit van de kosmische microgolfachtergrondstraling die overbleef van de oerknal veel groter dan nu.

Terwijl de elektronen in de jet met bijna de lichtsnelheid van het zwarte gat wegvliegen, bewegen ze zich doorheen en botsen ze met fotonen die de kosmische microgolfachtergrondstraling vormen, waardoor de energie van de fotonen wordt opgevoerd tot in het röntgenbereik wat dan door Chandra kan gedetecteerd worden. In dit scenario worden de röntgenstralen aanzienlijk versterkt in helderheid in vergelijking met radiogolven. Dit komt overeen met de waarneming dat het kenmerk van de grote röntgenstraal geen bijbehorende radio-emissie heeft.

"Ons resultaat toont aan dat röntgenwaarnemingen een van de beste manieren kunnen zijn om quasars met jets in het vroege heelal te bestuderen", zei co-auteur Daniel Stern, ook van JPL. "Of anders gezegd, röntgenwaarnemingen in de toekomst kunnen de sleutel zijn om de geheimen van ons kosmische verleden te ontrafelen."

Auteur: Jan Vyvey.
Bron: NASA.

(*) Het Chandra X-ray observatory is een satelliet die astronomische waarnemingen doet in het röntgengebied. Op aarde zijn die niet mogelijk omdat röntgenstraling niet door de aardatmosfeer kan dringen. Er worden waarnemingen gedaan van zeer energierijke processen in het heelal zoals neutronensterren, zwarte gaten en overblijfsels van supernova's. Chandra is een samenwerking van NASA met onder meer het Nederlandse ruimteonderzoeksinstituut SRON en het Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) in Garching (bij München) voor de transmissie-interferentietralie voor zachte röntgenstraling (LETG, Low Energy Transmission Grating).

Chandra X-ray Observatory is de tweede van NASA's Great Observatories, een ruimtevaartprogramma van ruimtetelescopen waartoe ook de ruimtetelescoop Hubble, Compton Gamma Ray Observatory en de Spitzer Space Telescope behoren.

Bron: Wikipedia

 (**) Het Very Long Baseline Array (VLBA) is een interferometer bestaande uit tien radiotelescopen die bestuurd worden vanuit Socorro (New Mexico). Het VLBA maakt deel uit van het National Radio Astronomy Observatory (NRAO). De tien telescopen werken samen door middel van Very-long-baseline interferometry.

De bouw van het VLBA begon in februari 1986 en werd voltooid in mei 1993. De eerste astronomische waarnemingen met alle tien telescopen zijn gedaan op 29 mei 1993. De kosten van de bouw van het VLBA waren 85 miljoen dollar.

Elke ontvanger van het VLBA bestaat uit een radiotelescoop met een diameter van 25 meter (gewicht 218 ton), en een gebouwtje waarin zich de elektronica en computers voor besturing en data opslag bevinden. De metingen krijgen een 'tijdstempel' met behulp van een atoomklok en worden opgestuurd naar Socorro waar ze in het Pete V. Domenici Science Operations Center verder verwerkt worden. Hierbij wordt rekening gehouden met kleine afwijkingen in de rotatie van de aarde en met bewegingen van de aardkorst.

Bron: Wikipedia