Er is een superzwaar zwart gat in het centrum van bijna elk sterrenstelsel in het heelal. Hoe zijn zij daar gekomen? Wat is de relatie tussen deze monsterzwarte gaten en de sterrenstelsels eromheen?
Telkens wanneer astronomen verder in het heelal kijken, ontdekken ze nieuwe mysteries. Deze mysteries vereisen alle nieuwe tools en technieken om te begrijpen. Deze mysteries leiden tot meer mysteries. Wat ik zeg, is dat het mysterieuze schildpadden zijn helemaal naar beneden.
Een van de meest fascinerende is het ontdekken van quasars, begrijpen wat ze zijn en het onthullen van een nog dieper mysterie, waar komen ze vandaan?
Zoals altijd loop ik mezelf voor, dus laten we eerst teruggaan en praten over de ontdekking van quasars.
In de jaren vijftig scanden astronomen met behulp van radiotelescopen de lucht en vonden ze een klasse van bizarre objecten in het verre heelal. Ze waren heel slim en ongelooflijk ver weg; honderden miljoenen of zelfs miljard lichtjaar verwijderd. De eerste werden ontdekt in het radiospectrum, maar na verloop van tijd ontdekten astronomen nog meer vuur in het zichtbare spectrum.
De astronoom Hong-Yee Chiu bedacht de term 'quasar', wat stond voor quasi-stellair object. Ze waren als sterren, schijnend vanuit een enkele puntbron, maar het waren duidelijk geen sterren, die gloeiden met meer straling dan een heel sterrenstelsel.
In de loop van de decennia hebben astronomen de aard van quasars in de war gebracht, omdat ze leerden dat het eigenlijk zwarte gaten waren, actief straling voerden en uitstralen, miljarden lichtjaren verwijderd.
Maar het waren niet de stellaire massa zwarte gaten, waarvan bekend was dat ze afkomstig waren van de dood van gigantische sterren. Dit waren superzware zwarte gaten, met miljoenen of zelfs miljarden keren de massa van de zon.
Al in de jaren zeventig overwogen astronomen de mogelijkheid dat deze superzware zwarte gaten het hart zouden kunnen zijn van vele andere sterrenstelsels, zelfs van de Melkweg.
In 1974 ontdekten astronomen een radiobron in het centrum van de Melkweg die straling uitzendt. Het was getiteld Boogschutter A *, met een sterretje dat staat voor "opwindend", nou ja, in het perspectief van "opgewonden atomen".
Dit zou overeenkomen met de uitstoot van een superzwaar zwart gat dat niet actief voedde met materiaal. Ons eigen sterrenstelsel had in het verleden of in de toekomst een quasar kunnen zijn, maar op dit moment was het zwarte gat grotendeels stil, afgezien van deze subtiele straling.
Astronomen moesten het zeker weten, dus voerden ze een gedetailleerd onderzoek uit van het centrum van de Melkweg in het infraroodspectrum, waardoor ze door het gas en stof konden kijken dat de kern in zichtbaar licht verduistert.
Ze ontdekten een groep sterren die rond de Boogschutter A-ster cirkelden, zoals kometen die in een baan om de zon draaien. Alleen een zwart gat met miljoenen keren de massa van de zon zou het soort zwaartekrachtanker kunnen zijn om deze sterren in zulke bizarre banen rond te zwaaien.
Verdere onderzoeken vonden een superzwaar zwart gat in het hart van de Andromeda-melkweg, het lijkt er zelfs op dat deze monsters zich in het centrum van bijna elk sterrenstelsel in het heelal bevinden.
Maar hoe zijn ze ontstaan? Waar komen ze vandaan? Vormde de melkweg zich eerst en veroorzaakte het zwarte gat in het midden, of vormde het zwarte gat zich en bouwde er een melkwegstelsel omheen?
Tot voor kort was dit eigenlijk nog steeds een van de grote onopgeloste mysteries in de astronomie. Dat gezegd hebbende, hebben astronomen veel onderzoek gedaan, waarbij ze gebruik hebben gemaakt van steeds meer gevoelige observatoria, hun theorieën hebben uitgewerkt en nu verzamelen ze bewijsmateriaal om dit mysterie te ontrafelen.
Astronomen hebben twee modellen ontwikkeld voor hoe de grootschalige structuur van het heelal samenkwam: van boven naar beneden en van onder naar boven.
In het top-downmodel vormde zich in één keer een hele galactische supercluster uit een enorme wolk van primordiale waterstof die was overgebleven van de oerknal. De sterren van een supercluster.
Toen de wolk bij elkaar kwam, draaide hij omhoog en schopte kleinere spiralen en dwergstelsels eruit. Deze hadden later kunnen worden gecombineerd om de complexere structuur te vormen die we vandaag zien. De superzware zwarte gaten zouden zich als de dichte kernen van deze sterrenstelsels hebben gevormd toen ze samenkwamen.
Als je je geest hieromheen wilt wikkelen, denk dan aan de sterrenkwekerij die onze zon heeft gevormd en een aantal andere sterren. Stel je een enkele gas- en stofwolk voor die meerdere sterrenstelsels vormt. In de loop van de tijd werden de sterren rijper en dreven van elkaar weg.
Dat is van boven naar beneden. Een groot evenement dat leidt tot de structuur die we vandaag zien.
In het bottom-up model verzamelden zakken gas en stof zich samen tot grotere en grotere massa's, en vormden uiteindelijk dwergstelsels, en zelfs de clusters en superclusters die we vandaag zien. De superzware zwarte gaten in het hart van sterrenstelsels zijn ontstaan door botsingen en fusies tussen zwarte gaten over aionen.
Dit is eigenlijk hoe astronomen denken dat de planeten in het zonnestelsel zijn gevormd. Door stukjes stof die elkaar in steeds grotere korrels aantrekken totdat de objecten van planeetformaat zich gedurende miljoenen jaren hebben gevormd.
Bottom up, kleine onderdelen komen samen.
Kort na de oerknal was het hele universum ongelooflijk dicht. Maar het was niet overal dezelfde dichtheid. Kleine kwantumfluctuaties in de dichtheid evolueerden in het begin gedurende miljarden jaren van expansie naar de galactische superclusters die we vandaag zien.
Ik wil stoppen en dit even in je hersenen laten bezinken. Er waren microscopische variaties in dichtheid in het vroege heelal. En deze variaties werden de structuren die honderden miljoenen lichtjaren in doorsnee zijn, zoals we die nu zien.
Stel je de twee krachten voor die zich afspelen terwijl de uitdijing van het heelal plaatsvond. Enerzijds heb je de onderlinge zwaartekracht van de deeltjes die elkaar naar elkaar toe trekken. En aan de andere kant heb je de uitdijing van het heelal die de deeltjes van elkaar scheidt. De grootte van de sterrenstelsels, clusters en superclusters werd bepaald door het evenwichtspunt van de tegengestelde krachten.
Als kleine stukjes bij elkaar kwamen, zou je die bottom-up formatie krijgen. Als grote stukken bij elkaar kwamen, zou je die top-down formatie krijgen.
Wanneer astronomen op de grootste schaal naar het heelal kijken, observeren ze clusters en superclusters voor zover ze kunnen zien - wat het top-downmodel ondersteunt.
Aan de andere kant blijkt uit waarnemingen dat de eerste sterren slechts een paar honderd miljoen jaar na de oerknal gevormd zijn, die bottom-up ondersteunt.
Dus het antwoord is beide?
Nee, de modernste waarnemingen geven de voorsprong aan de bottom-up processen.
De sleutel is dat de zwaartekracht met de snelheid van het licht beweegt, wat betekent dat de zwaartekrachtinteracties tussen de deeltjes die zich van elkaar verspreiden, nodig zijn om in te halen en de snelheid van het licht te halen.
Met andere woorden, je zou niet de waarde van een supercluster materiaal bij elkaar krijgen, alleen het materiaal van een ster. Maar deze eerste sterren waren gemaakt van pure waterstof en helium en konden veel zwaarder worden dan de sterren die we nu hebben. Ze zouden snel leven en sterven in supernova-explosies, waardoor ze veel grotere zwarte gaten zouden creëren dan we vandaag krijgen.
De eerste protogalaxies kwamen samen en verzamelden deze eerste monsterzwarte gaten en de massieve sterren eromheen. En toen, gedurende miljoenen en miljarden jaren, vermengden deze zwarte gaten zich keer op keer en verzamelden miljoenen en zelfs miljarden keren de massa van de zon. Zo kregen we de moderne sterrenstelsels die we vandaag zien.
Er was een recente waarneming die deze conclusie ondersteunt. Eerder dit jaar kondigden astronomen de ontdekking aan van superzware zwarte gaten in het centrum van relatief kleine sterrenstelsels. In onze eigen Melkweg is het superzware zwarte gat 4,1 miljoen keer de massa van de zon, maar goed voor slechts 0,01% van de totale massa van de melkweg.
Maar astronomen van de Universiteit van Utah vonden twee ultracompacte sterrenstelsels met zwarte gaten van respectievelijk 4,4 miljoen en 5,8 miljoen keer de massa van de zon. En toch vertegenwoordigen de zwarte gaten 13 en 18 procent van de massa van hun gaststelsels.
De gedachte is dat deze sterrenstelsels ooit normaal waren, maar eerder in de geschiedenis van het heelal in botsing kwamen met andere sterrenstelsels, van hun sterren werden ontdaan en vervolgens werden uitgespreid om door de kosmos te zwerven.
Ze zijn het slachtoffer van die vroege samenvoegende gebeurtenissen, een bewijs van het bloedbad dat in het vroege heelal gebeurde toen de fusies plaatsvonden.
We praten altijd over de onopgeloste mysteries in het heelal, maar dit is een die astronomen beginnen uit te puzzelen.
Het lijkt zeer waarschijnlijk dat de structuur van het heelal die we vandaag zien, van onderaf is gevormd. De eerste sterren kwamen samen in protogalaxies en stierven als supernova om de eerste zwarte gaten te vormen. De structuur van het heelal die we vandaag zien, is het eindresultaat van miljarden jaren van vorming en vernietiging. Met de superzware zwarte gaten die na verloop van tijd samenkomen.
Zodra telescopen zoals James Webb aan het werk gaan, zouden we deze stukken aan de rand van het waarneembare heelal moeten kunnen zien samenkomen.
Podcast (audio): downloaden (duur: 11:06 - 3,8 MB)
Abonneren: Apple Podcasts | Android | RSS
Podcast (video): downloaden (duur: 11:06 - 143,0 MB)
Abonneren: Apple Podcasts | Android | RSS
