Met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop hebben astronomen de dramatische ‘dans’ waargenomen tussen een superzwaar zwart gat en twee satellietstelsels. Deze waarnemingen kunnen wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe sterrenstelsels en superzware zwarte gaten in het vroege heelal groeiden.
Dit superzware zwarte gat voedt zich met de materie eromheen en levert een heldere quasar zo ver weg dat de James Webb-telescoop het ziet zoals het minder dan een miljard jaar na de oerknal was. De quasar, genaamd PJ308-21, bevindt zich in een actieve galactische kern (AGN) in een sterrenstelsel dat bezig is te versmelten met twee enorme satellietstelsels.
Het team stelde niet alleen vast dat het zwarte gat een massa heeft die overeenkomt met twee miljard zonnen, maar ontdekte ook dat zowel de quasars als de sterrenstelsels die bij deze fusie betrokken zijn, hoog geëvolueerd zijn, een verrassing gezien het feit dat ze bestonden toen de 13,8 jaar durende fusie plaatsvond. het oude universum was nog maar een baby.
De fusie van deze drie sterrenstelsels zal waarschijnlijk enorme hoeveelheden gas en stof aan het superzware zwarte gat leveren, waardoor de groei ervan wordt vergemakkelijkt en het PJ308-21 van energie kan blijven voorzien.
Verwant: James Webb Space Telescope detecteert ‘extreem rood’ superzwaar zwart gat dat groeit in het vroege heelal
“Uit ons onderzoek blijkt dat beide zwarte gaten zich in centra met hoge roodverschuiving bevinden [early and distant] “Quasars en de sterrenstelsels waarin ze voorkomen, ondergaan al in de eerste miljard jaar van de geschiedenis van het universum een zeer efficiënte en turbulente groei, daarbij geholpen door de rijke galactische omgeving waarin deze bronnen ontstaan”, zegt teamleider Roberto DeCarli, onderzoeker bij het Italiaanse Nationale Instituut voor Onderzoek. Instituut voor Astrofysica (INAF). Dat zei hij in een verklaring.
De gegevens werden in september 2022 verzameld door JWST’s Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec)-instrument als onderdeel van het 1554-programma, dat tot doel heeft de fusie tussen het sterrenstelsel met PJ308-21 en twee van zijn maanstelsels te monitoren.
DeCarli voegde eraan toe dat het werk een echte ‘emotionele reis’ vertegenwoordigde voor het team, dat innovatieve oplossingen ontwikkelde om aanvankelijke problemen bij datareductie te overwinnen en beelden te produceren met minder dan 1% onzekerheid per pixel.
Quasars ontstaan wanneer enorme hoeveelheden gas en stof superzware zwarte gaten omringen die miljoenen of miljarden keer de massa van de zon hebben en die de kern van sterrenstelsels vormen. Dit materiaal vormt een platte wolk, een zogenaamde accretieschijf, die rond het zwarte gat draait en dit geleidelijk voedt.
De enorme zwaartekracht van het zwarte gat genereert krachtige getijdenkrachten in deze accretieschijf, waardoor de temperatuur van het gas en stof stijgt tot 120.000 graden Fahrenheit (67.000 graden Celsius). Dit zorgt ervoor dat licht van de accretieschijf over het elektromagnetische spectrum uitzendt. Deze emissie is vaak helderder dan het gecombineerde licht van elke ster in het omringende sterrenstelsel, waardoor quasars zoals PJ308-21 tot de helderste objecten in het universum behoren.
Hoewel zwarte gaten geen eigenschappen hebben die kunnen worden gebruikt om hun evolutie te bepalen, hebben hun accretieschijven (en dus quasars) dat wel. In feite kan de leeftijd van sterrenstelsels op dezelfde manier worden ‘geschat’.
Het vroege heelal was vol waterstof, het lichtste en eenvoudigste element, en een kleine hoeveelheid helium. Dit vormde de basis voor de eerste sterren en sterrenstelsels, maar tijdens het leven van deze sterrenlichamen smeedden ze elementen die zwaarder waren dan waterstof en helium, die astronomen ‘metalen’ noemen.
Toen deze sterren hun leven beëindigden in enorme supernova-explosies, verspreidden deze metalen zich door hun sterrenstelsels en werden ze de bouwstenen voor de volgende generatie sterren. Dit proces heeft ervoor gezorgd dat sterren, en daardoor sterrenstelsels, steeds meer ‘metaalrijk’ zijn geworden.
Het team ontdekte dat de actieve kern van PJ308-21, net als de meeste actieve galactische kernen, rijk is aan metalen, en dat het gas en stof eromheen een proces van ‘foto-ionisatie’ ondergaan. Dit is het proces waarbij lichtdeeltjes, fotonen genaamd, de energie leveren die elektronen nodig hebben om uit atomen te ontsnappen, waardoor elektrisch geladen ionen ontstaan.
Een van de sterrenstelsels die samensmelten met gaststelsel PJ308-21 is ook rijk aan metaal, en de materie ervan wordt ook gedeeltelijk gefotoïoniseerd door elektromagnetische straling van de quasar.
Foto-ionisatie komt ook voor in het tweede maanstelsel, maar in dit geval wordt deze veroorzaakt door een periode van snelle stervorming. Dit tweede sterrenstelsel verschilt ook van het eerste sterrenstelsel en het actieve sterrenstelsel, doordat het metaalarm lijkt te zijn.
“Dankzij NIRSpec kunnen we voor het eerst het optische domein bestuderen, dat rijk is aan waardevolle diagnostische gegevens over de eigenschappen van gas nabij het zwarte gat in het sterrenstelsel waarin de quasar zich bevindt, en in de omliggende sterrenstelsels”, aldus teamlid en astrofysicus van het Nationaal Instituut voor Astrofysica Federica Loiacono. “We kunnen bijvoorbeeld de uitstoot van waterstofatomen zien en deze vergelijken met de uitstoot van chemische elementen geproduceerd door sterren om te bepalen hoe metaalrijk het gas is.”
Hoewel het licht van deze quasar, daterend uit het begin van het heelal, een breed spectrum van het elektromagnetische spectrum bestrijkt, inclusief optisch licht en röntgenstraling, is de enige manier om dit waar te nemen het infrarood.
Dit komt omdat de golflengten van licht, dat meer dan 12 miljard jaar heeft gereisd om de James Webb-telescoop te bereiken, dramatisch zijn “uitgerekt”. Hierdoor “verschuift” het licht naar het “rode uiteinde” van het elektromagnetische spectrum, een fenomeen dat astronomen “roodverschuiving” noemen en gesymboliseerd door de letter “z”.
De James Webb-telescoop heeft een uitzonderlijk vermogen om objecten en gebeurtenissen met een hoge roodverschuiving of hoge roodverschuiving, zoals PJ308-21, te zien vanwege zijn gevoeligheid voor infrarood licht.
Loiacono sloot af met de woorden: “Dankzij de gevoeligheid van de James Webb-telescoop in het nabije en midden-infrarood is het mogelijk geworden om het spectrum van quasars en begeleidende sterrenstelsels met ongekende precisie in het verre heelal te bestuderen door het uitstekende ‘zicht’ van de James Webb-telescoop “.
Het onderzoek van het team is geaccepteerd voor publicatie in juni 2024 in het tijdschrift Astronomie en astrofysica.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
