De hele hemel is gevuld met een diffuse, hoogenergetische gloed: de kosmische röntgenachtergrond. De astronomen konden de afgelopen jaren aantonen dat deze straling bijna volledig geassocieerd kan worden met individuele objecten. Evenzo loste Galileo Galilei in het begin van de 17e eeuw het licht van de Melkweg op in individuele sterren. De röntgenachtergrond is afkomstig van honderden miljoenen superzware zwarte gaten, die worden gevoed door materie in de centra van verre melkwegstelsels. Omdat de zwarte gaten massa opbouwen, observeren we ze tijdens de groeifase op de röntgenachtergrond. In het universum van vandaag worden enorme zwarte gaten gevonden in de centra van praktisch alle nabijgelegen sterrenstelsels.
Wanneer materie de afgrond van een zwart gat naar beneden snelt, versnelt het bijna met de snelheid van het licht rond de kosmische maalstroom en wordt het zo sterk opgewarmd dat het zijn 'laatste hulpkreet' afgeeft in de vorm van hoogenergetische straling, voordat het verdwijnt voor altijd. Daarom zijn de vermoedelijk onzichtbare zwarte gaten een van de meest lichtgevende objecten in het universum, als ze goed worden gevoed in de centra van zogenaamde actieve sterrenstelsels. De chemische elementen in de materie zenden röntgenstralen uit met een karakteristieke golflengte en kunnen daarom worden geïdentificeerd aan de hand van hun spectrale vingerafdruk. Atomen van het element ijzer zijn een bijzonder nuttig diagnostisch hulpmiddel, omdat dit metaal het meest voorkomt in de kosmos en bij hoge temperaturen het meest intens uitstraalt.
Op een vergelijkbare manier als de radarvallen waarmee de politie snelrijdende auto's identificeert, kunnen de relativistische snelheden van ijzeratomen die het Zwarte Gat omcirkelen, worden gemeten door een verschuiving in golflengte van hun licht. Door een combinatie van de effecten die worden voorspeld door de speciale en algemene relativiteitstheorie van Einstein, wordt echter een karakteristiek verbreed, asymmetrisch lijnprofiel, d.w.z. een uitgesmeerde vingerafdruk, verwacht in het röntgenlicht van zwarte gaten. Speciale relativiteitstheorie veronderstelt dat bewegende klokken langzaam lopen en algemene relativiteitstheorie voorspelt dat klokken langzaam lopen in de buurt van grote massa's. Beide effecten leiden tot een verschuiving van het door ijzeratomen uitgezonden licht naar het langere golflengtegedeelte van het elektromagnetische spectrum. Als we de materie echter vanaf de zijkant omcirkelen in de zogenaamde "accretieschijf" (Fig. 1), lijkt het licht van atomen die op ons afkomen verschoven naar kortere golflengten en veel helderder dan dat dat van ons weg beweegt. Deze relativiteitseffecten zijn sterker naarmate de materie dichter bij het zwarte gat komt. Door de gebogen ruimtetijd zijn ze het sterkst in snel roterende zwarte gaten. De afgelopen jaren zijn metingen van relativistische ijzerlijnen mogelijk geweest in een paar nabijgelegen sterrenstelsels - voor het eerst in 1995 met de Japanse ASCA-satelliet.
Nu de onderzoekers rond G? Nther Hasinger van het Max-Planck-Instituut voor buitenaardse fysica, samen met de groep van Xavier Barcons aan het Spaanse Instituto de F? Sica de Cantabria in Santander en Andy Fabian aan het Institute of Astronomy in Cambridge, VK hebben de relativistisch uitgesmeerde vingerafdruk van ijzeratomen blootgelegd in het gemiddelde röntgenlicht van ongeveer 100 verre zwarte gaten van de röntgenachtergrond (figuur 2). De astrofysici maakten gebruik van het X-ray observatorium XMM-Newton van de European Space Agency ESA. Ze richtten het instrument meer dan 500 uur op een veld in het sterrenbeeld Big Dipper en ontdekten honderden zwakke röntgenbronnen.
Door de uitdijing van het heelal bewegen de sterrenstelsels van ons weg met een snelheid die toeneemt met hun afstand en dus verschijnen hun spectraallijnen allemaal op verschillende golflengten; de astronomen moesten eerst het röntgenlicht van alle objecten corrigeren in het rustframe van de Melkweg. Met de Amerikaanse Keck-Telescope zijn de benodigde afstandsmetingen voor meer dan 100 objecten verkregen. Nadat ze het licht van alle objecten hadden toegevoegd, waren de onderzoekers zeer verrast over het onverwacht grote signaal en de karakteristieke verbrede vorm van de ijzeren lijn.
Uit de sterkte van het signaal leidden ze de fractie ijzeratomen in de geaccreteerde materie af. Verrassend genoeg is de chemische overvloed aan ijzer in de 'voeding' van deze relatief jonge zwarte gaten ongeveer drie keer zo hoog als in ons zonnestelsel, dat aanzienlijk later was ontstaan. De centra van sterrenstelsels in het vroege heelal moeten daarom een bijzonder efficiënte methode hebben gehad om ijzer te produceren, mogelijk omdat gewelddadige stervormingsactiviteit de chemische elementen vrij snel 'kweekt' in actieve sterrenstelsels. De breedte van de lijn gaf aan dat de ijzeratomen vrij dicht bij het zwarte gat moeten uitstralen, in overeenstemming met snel draaiende zwarte gaten. Deze conclusie wordt ook indirect gevonden door andere groepen, die de energie in de röntgenachtergrond vergeleken met de totale massa van "slapende" zwarte gaten in nabijgelegen sterrenstelsels.
Oorspronkelijke bron: Max Planck Society News Release
Wilt u de bureaubladachtergrond van uw computer bijwerken? Hier zijn enkele zwarte achtergrondafbeeldingen.
