In de afgelopen decennia hebben astronomen verder kunnen kijken in het heelal (en ook terug in de tijd), bijna tot het allereerste begin van het heelal. Daarbij hebben ze veel geleerd over enkele van de vroegste sterrenstelsels in het heelal en hun daaropvolgende evolutie. Er zijn echter nog steeds een aantal dingen die nog steeds verboden terrein zijn, zoals toen sterrenstelsels met superzware zwarte gaten (SMBH's) en enorme stralen voor het eerst verschenen.
Volgens recente studies van de International School for Advanced Studies (SISSA) en een team van astronomen uit Japan en Taiwan geven ze nieuw inzicht in hoe superzware zwarte gaten zich slechts 800 miljoen jaar na de oerknal begonnen te vormen, en relativistische stralen minder dan 2 miljard jaar na. Deze resultaten maken deel uit van een groeiende zaak die laat zien hoe massieve objecten in ons heelal eerder zijn gevormd dan we dachten.
Astronomen weten al meer dan een halve eeuw over SMBH's. Na verloop van tijd kwamen ze tot het besef dat de meeste massieve sterrenstelsels (inclusief de Melkweg) ze aan hun kernen hebben. De rol die ze spelen in de evolutie van sterrenstelsels is ook het onderwerp van onderzoek geweest, waarbij moderne astronomen concluderen dat ze rechtstreeks verband houden met de snelheid van stervorming in sterrenstelsels.
Evenzo hebben astronomen ontdekt dat SMBH's strakke accretieschijven om zich heen hebben waar gas en stof worden versneld tot bijna de lichtsnelheid. Hierdoor wordt het centrum van sommige sterrenstelsels zo helder - wat bekend staat als actieve galactische kernen (AGN's) - dat ze de sterren in hun schijven overtreffen. In sommige gevallen leiden deze accretieschijven ook tot stralen heet materiaal dat vanaf miljarden lichtjaar afstand kan worden gezien.
Volgens conventionele modellen hadden sterrenstelsels niet genoeg tijd om centrale zwarte gaten te ontwikkelen toen het heelal nog geen miljard jaar oud was (ca. 13 miljard jaar geleden). Recente waarnemingen hebben echter aangetoond dat er zich toen al zwarte gaten vormden in het centrum van sterrenstelsels. Om dit aan te pakken, stelde een team van wetenschappers van SISSA een nieuw model voor dat een mogelijke verklaring biedt.
Voor hun studie, die werd geleid door Lumen Boco - een Ph.D. student van het Institute for Fundamental Physics of the Universe (IFPU) - het team begon met het bekende feit dat SMBH's groeien in de centrale regio's van vroege sterrenstelsels. Deze objecten, de voorlopers van elliptische melkwegstelsels vandaag, hadden een zeer hoge gasconcentratie en een extreem intense snelheid van nieuwe stervorming.
De eerste generaties sterren in deze sterrenstelsels waren van korte duur en evolueerden snel tot zwarte gaten die relatief klein waren, maar aanzienlijk in aantal. Het dichte gas dat hen omringde, leidde tot aanzienlijke dynamische wrijving en zorgde ervoor dat ze snel naar het centrum van de melkweg migreerden. Hier fuseerden ze om de zaden te creëren van superzware zwarte gaten - die langzaam groeiden in de tijd.
Zoals het onderzoeksteam in een recent persbericht van SISS uitlegde:
'Volgens klassieke theorieën groeit een superzwaar zwart gat in het centrum van een melkwegstelsel dat de omringende materie vangt, voornamelijk gas,' groeit 'het op zichzelf en verslindt het uiteindelijk op een ritme dat evenredig is met de massa. Om deze reden is de groei tijdens de beginfase van zijn ontwikkeling, wanneer de massa van het zwarte gat klein is, erg langzaam. Voor zover volgens de berekeningen, om de waargenomen massa te bereiken, miljarden keren die van de zon, zou een zeer lange tijd nodig zijn, zelfs groter dan de leeftijd van het jonge heelal. '
Het oorspronkelijke wiskundige model dat ze ontwikkelden, toonde echter aan dat het vormingsproces voor centrale zwarte gaten in zijn beginfase zeer snel zou kunnen verlopen. Dit biedt niet alleen een verklaring voor het bestaan van SMBH-zaden in het vroege heelal, maar verzoent ook de timing van hun groei met de bekende leeftijd van het heelal.
Kortom, hun onderzoek toonde aan dat het migratieproces en het samensmelten van vroege zwarte gaten kan leiden tot de creatie van een SMBH-zaad van 10.000 tot 100.000 zonsmassa's in slechts 50-100 miljoen jaar. Zoals het team heeft uitgelegd:
“De groei van het centrale zwarte gat volgens de eerder genoemde directe aanwas van gas, zoals voorzien door de standaardtheorie, zal zeer snel worden, omdat de hoeveelheid gas die het zal aantrekken en absorberen enorm zal worden en overheersend zal zijn op het proces dat we voorstellen. Desalniettemin versnelt juist het feit dat we beginnen met zo'n groot zaadje als voorzien door ons mechanisme de wereldwijde groei van het superzware zwarte gat en maakt het de vorming ervan mogelijk, ook in het Jonge Universum. Kortom, in het licht van deze theorie kunnen we stellen dat 800 miljoen jaar na de oerknal de superzware zwarte gaten de kosmos al konden bevolken. '
Naast het voorstellen van een werkmodel voor waargenomen SMBH-zaden, stelde het team ook een methode voor om het te testen. Enerzijds zijn er de zwaartekrachtsgolven die deze fusies zouden veroorzaken, die identificeerbaar zouden kunnen zijn met zwaartekrachtsgolfdetectoren zoals Advanced LIGO / Virgo en gekenmerkt door de toekomstige Einstein-telescoop.
Bovendien zijn de daaropvolgende ontwikkelingsfasen van SMBH's iets dat zou kunnen worden onderzocht door missies zoals de ESA's Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die naar verwachting rond 2034 zal worden gelanceerd. Op dezelfde manier gebruikte een ander team van astronomen onlangs de Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) om een ander mysterie over sterrenstelsels aan te pakken, daarom hebben sommigen stralen en anderen niet.
Deze snel bewegende stromen van geïoniseerde materie, die reizen met relativistische snelheden (een fractie van de lichtsnelheid), zijn waargenomen vanuit het centrum van sommige sterrenstelsels. Deze jets zijn gekoppeld aan de snelheid van stervorming van een sterrenstelsel vanwege de manier waarop ze materie verdrijven die anders zou instorten om nieuwe sterren te vormen. Met andere woorden, deze stralen spelen een rol in de evolutie van sterrenstelsels, net zoals SMBH's.
Om deze reden hebben astronomen geprobeerd meer te weten te komen over hoe zwarte gatstralen en gaswolken in de loop van de tijd op elkaar inwerken. Helaas was het moeilijk om dit soort interacties tijdens het vroege heelal waar te nemen. Met behulp van de Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) wist een team van astronomen het eerste opgeloste beeld te krijgen van verstoorde gaswolken afkomstig van een verre quasar.
De studie die hun bevindingen beschrijft, geleid door Prof. Kaiki Taro Inoue van de Kindai Universiteit, verscheen onlangs in de Astrophysical Journal Letters. Zoals Inoue en zijn collega's uitlegden, onthulden de ALMA-gegevens jonge bipolaire stralen die afkomstig waren van MG J0414 + 0534, een quasar op ongeveer 11 miljard lichtjaar van de aarde. Deze bevindingen tonen aan dat sterrenstelsels met SMBH's en jets bestonden toen de oerknal minder dan 3 miljard jaar oud was.
Naast ALMA vertrouwde het team op een techniek die bekend staat als zwaartekrachtlensing, waarbij de zwaartekracht van een tussenliggend sterrenstelsel licht vergroot dat afkomstig is van een ver verwijderd object. Dankzij deze 'kosmische telescoop' en de hoge resolutie van ALMA kon het team de verstoorde gaswolken rond MG J0414 + 0534 observeren en vaststellen dat ze werden veroorzaakt door jonge stralen afkomstig van een SMBH in het centrum van de melkweg.
Zoals Kouichiro Nakanishi, een universitair hoofddocent aan het National Astronomical Observatory of Japan / SOKENDAI, uitlegde in een ALMA-persbericht:
"Door deze kosmische telescoop en ALMA's hoge resolutie waarnemingen te combineren, kregen we een uitzonderlijk scherp zicht, dat is 9.000 keer beter dan het menselijk gezichtsvermogen. Met deze extreem hoge resolutie konden we de verspreiding en beweging van gaswolken rond stralen verkrijgen die uit een superzwaar zwart gat werden uitgestoten. ”
Deze waarnemingen toonden ook aan dat het gas werd geraakt waar het de richting van de stralen volgde, waardoor deeltjes hevig werden verplaatst en versneld werden tot snelheden tot 600 km / s (370 mps). Bovendien waren deze gaswolken en de stralen zelf veel kleiner dan de grootte van een typisch sterrenstelsel op deze leeftijd.
Hieruit concludeerde het team dat ze getuige waren van een zeer vroege fase van jetevolutie in het MG J0414 + 0534-sterrenstelsel. Als het waar is, hebben deze waarnemingen het team in staat gesteld getuige te zijn van een belangrijk evolutionair proces in sterrenstelsels tijdens het vroege heelal. Zoals Inoue samenvatte:
“MG J0414 + 0534 is een uitstekend voorbeeld vanwege de jeugd van de jets. We vonden veelbetekenend bewijs van significante interactie tussen jets en gaswolken, zelfs in de zeer vroege evolutionaire fase van jets. Ik denk dat onze ontdekking de weg zal effenen voor een beter begrip van het evolutieproces van sterrenstelsels in het vroege heelal. '
Samen tonen deze studies aan dat twee van de krachtigste astronomische verschijnselen in het heelal eerder zijn ontstaan dan verwacht. Deze ontdekking biedt astronomen ook de mogelijkheid om te onderzoeken hoe deze verschijnselen zich in de loop van de tijd hebben ontwikkeld en welke rol ze hebben gespeeld in de evolutie van het heelal.
