Nieuw bewijs van NASA's Chandra X-ray Observatory daagt heersende ideeën uit over hoe zwarte gaten groeien in de centra van sterrenstelsels. Astronomen hebben lang gedacht dat een superzwaar zwart gat en de uitstulping van sterren in het centrum van zijn gaststelsel met dezelfde snelheid groeien - hoe groter de uitstulping, hoe groter het zwarte gat. Een nieuwe studie van Chandra-gegevens heeft echter twee nabijgelegen sterrenstelsels onthuld met superzware zwarte gaten die sneller groeien dan de sterrenstelsels zelf.
De massa van een gigantisch zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel is doorgaans een kleine fractie - ongeveer 0,2 procent - van de massa in de bolling of het gebied van dicht opeengepakte sterren eromheen. De doelen van de laatste Chandra-studie, sterrenstelsels NGC 4342 en NGC 4291, hebben 10 tot 35 keer grotere zwarte gaten dan ze zouden moeten worden vergeleken met hun uitstulpingen. De nieuwe waarnemingen met Chandra tonen de halo's, of enorme enveloppen met donkere materie waarin deze sterrenstelsels zich bevinden, ook te zwaar.
Deze studie suggereert dat de twee superzware zwarte gaten en hun evolutie verbonden zijn met hun donkere materie-halo's en niet samen met de galactische uitstulpingen groeiden. In dit opzicht hebben de zwarte gaten en halo's van donkere materie geen overgewicht, maar is de totale massa in de sterrenstelsels te laag.
"Dit geeft ons meer bewijs van een verband tussen twee van de meest mysterieuze en donkerste fenomenen in de astrofysica - zwarte gaten en donkere materie - in deze sterrenstelsels", zegt Akos Bogdan van het Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics (CfA) in Cambridge, Mass ., die de nieuwe studie leidde.
NGC 4342 en NGC 4291 liggen kosmisch dicht bij de aarde, op afstanden van 75 miljoen en 85 miljoen lichtjaar. Astronomen wisten uit eerdere waarnemingen dat deze sterrenstelsels zwarte gaten met relatief grote massa's bevatten, maar weten niet wat verantwoordelijk is voor de ongelijkheid. Op basis van de nieuwe Chandra-waarnemingen kunnen ze echter een fenomeen dat bekend staat als getijdestrippen uitsluiten.
Tidal stripping vindt plaats wanneer sommige sterren van een sterrenstelsel door de zwaartekracht worden weggenomen tijdens een ontmoeting met een ander sterrenstelsel. Als zo'n getijdestripping had plaatsgevonden, zouden de halo's meestal ontbreken. Omdat donkere materie zich verder van de melkwegstelsels uitstrekt, is deze er losser aan gebonden dan de sterren en wordt ze eerder weggetrokken.
Om getijdenstripping uit te sluiten, gebruikten astronomen Chandra om bewijs te zoeken van heet, röntgenstralend gas rond de twee sterrenstelsels. Omdat de druk van heet gas - geschat op basis van röntgenfoto's - de zwaartekracht van alle materie in de melkweg in evenwicht houdt, kunnen de nieuwe Chandra-gegevens informatie verschaffen over de halo's voor donkere materie. Het hete gas bleek wijd verspreid te zijn rond NGC 4342 en NGC 4291, wat impliceert dat elk sterrenstelsel een ongebruikelijk massieve halo voor donkere materie heeft en dat getijdenstripping onwaarschijnlijk is.
"Dit is het duidelijkste bewijs dat we in het nabije universum hebben voor zwarte gaten die sneller groeien dan hun gaststelsel", zegt co-auteur Bill Forman, ook van CfA. "Het is niet zo dat de sterrenstelsels zijn getroffen door nauwe ontmoetingen, maar in plaats daarvan hadden ze een soort gearresteerde ontwikkeling."
Hoe kan de massa van een zwart gat sneller groeien dan de stellaire massa van zijn gaststelsel? De auteurs van het onderzoek suggereren dat een grote concentratie gas die langzaam ronddraait in het galactische centrum, het zwarte gat heel vroeg in zijn geschiedenis verbruikt. Het groeit snel en naarmate het groeit, neemt de hoeveelheid gas die het kan opnemen of inslikken toe, samen met de energie-output van de aanwas. Nadat het zwarte gat een kritische massa heeft bereikt, voorkomen uitbarstingen die worden aangedreven door het voortdurende gasverbruik koeling en beperken ze de productie van nieuwe sterren.
"Het is mogelijk dat het superzware zwarte gat een flinke omvang had bereikt voordat er überhaupt veel sterren in de melkweg waren", zegt Bogdan. "Dat is een belangrijke verandering in onze manier van denken over hoe sterrenstelsels en zwarte gaten samen evolueren."
De resultaten werden op 11 juni gepresenteerd op de 220e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Anchorage, Alaska. De studie is ook geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal.
