De ontdekking van zwarte gaten in het middengewicht zou de oorsprong kunnen verklaren van monsters van miljoenen zonnepanelen

In het centrum van een melkwegstelsel, een gigantisch zwart gat drijft een straal van geïoniseerd gas aan.

Lynette Cook / SOFIA / NASA

De ontdekking van zwarte gaten in het middengewicht zou de oorsprong kunnen verklaren van monsters van miljoenen zonnepanelen

Door Daniel CleryMay. 30, 2018, 15:00

Hoe zijn gigantische zwarte gaten zo groot geworden? Astronomen hebben al lang bewijs van zwarte baby-gaten met massa's van niet meer dan tientallen zonnen, en van miljoen of miljard kolossen die op de loer liggen in de centra van sterrenstelsels. Maar middelgrote, met duizenden of tienduizenden zonnepanelen, leken te ontbreken. Hun afwezigheid dwong theoretici om te suggereren dat superzware zwarte gaten niet geleidelijk groeiden door langzaam materie te consumeren, maar op de een of andere manier tevoorschijn kwamen als kant-en-klare reuzen.

Nu lijken astronomen enkele ontbrekende middengewichten te hebben gevonden. Een internationaal team heeft een archief van melkwegspectra doorzocht en meer dan 300 kleine melkwegstelsels gevonden die de handtekening hebben van tussenliggende massa zwarte gaten (IMBH's) in hun kernen. Ze bevestigden dat 10 van die kandidaten echt zwarte gaten in het midden hebben door andere gegevenssets te raadplegen, waardoor ze er meer vertrouwen in hebben dat de oorspronkelijke lijst minstens enkele tientallen echte [IMBH's] moet bevatten, zegt teamleider Igor Chilingarian van het Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts.

Ezequiel Treister van de Pauselijke Katholieke Universiteit van Chili in Santiago, die niet bij het onderzoek betrokken was, groet het speurwerk van het team. “Zwart gat metingen zijn echt moeilijk; we proberen dit al vele jaren te doen. ”Volker Bromm van de Universiteit van Texas in Austin zegt dat de techniek van het team“ vrij origineel ”is en noemt hun werk“ voorzichtig en verantwoordelijk ”. De bevindingen zouden volgens onderzoekers kunnen beginnen ontrafel het mysterie van de superzware vorming van zwarte gaten.

Zwarte gaten van elke grootte zijn moeilijk te vinden omdat ze zelf geen licht uitzenden. Ze kunnen zichzelf openbaren door gas en stof in de buurt op te zuigen en onderweg zo fel te verwarmen dat het röntgenstralen uitzendt. Röntgenstralen die uit de centra van veel sterrenstelsels stromen, verraden de aanwezigheid van superzware zwarte gaten, bekend als actieve galactische kernen (AGN's). Maar het röntgensignaal van een IMBH zou zwak zijn, en bestaande röntgensatellieten zijn gericht op gedetailleerde observaties van verre bronnen, niet op grote afstanden van meerdere melkwegstelsels. Het archief van NASA's Chandra X-ray Observatory beslaat bijvoorbeeld slechts 2, 5% van de lucht.

Dus zocht het team van Chilingarian naar een alternatief signaal met zichtbaar licht in een catalogus van 930.000 melkwegspectra verzameld door de Sloan Digital Sky Survey (SDSS). De röntgenstralen geproduceerd door een AGN ioniseren wolken van waterstofgas in de galactische bol eromheen, waardoor ze gloeien op bepaalde frequenties die verschillende pieken in het spectrum van de melkweg produceren. De wolken die zich het dichtst bij het zwarte gat bevinden, wervelen eromheen met hoge snelheid, die de frequenties via het Doppler-effect verschuift en elke spectrale piek uitsmeert. Gaswolken verder weg bewegen langzamer, zodat de pieken scherp blijven. Om sterrenstelsels met een kleine AGN te identificeren, zocht het team naar spectrale pieken die scherp waren aan de bovenkant maar rond de basis smeerden.

Zwarte gaten groeien met hun sterrenstelsels

Zwarte gaten, inclusief de nieuw ontdekte middengewichten, hebben massa's die correleren met de grootte van hun gastheerstelsel.

Middelgrote zwarte gaten (IMBH's) (Fourstar + Hubble Space Telescope) IMBH (literatuur) IMBH-kandidaten (Fourstar) Graham et al., 2015 Graham en Scott, 2015 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Massa van de zwart gat (massa van de zon) Massa van de galactische uitstulping (massa van de zon) 12 11 10 11 10 9 8 7 6 5 4 8 9
A. Cuadra / Science

Het zoeken in de SDSS-catalogus leverde 305 kandidaten op. Omdat andere kortstondige fenomenen het sleutelsignaal konden nabootsen, controleerde het team ook andere enquêtes, verzameld op verschillende tijdstippen, om er zeker van te zijn dat de kandidaat-sterrenstelsels dezelfde gesmeerde pieken vertoonden. Ze hebben ook enkele sterrenstelsels zelf geïnspecteerd met de Giant Magellan Telescope in Chili. Maar de echte clincher van een AGN is het veelbetekenende röntgensignaal, dus het team zocht gearchiveerde observaties van NASA s Chandra en Swift-satellieten en de X-ray Multi-Mirror Mission van Europa om te zien of toevallig, ze hadden al die kandidaten gezien. Het resultaat was een definitieve korte lijst van 10, het team rapporteert in een artikel op arXiv en ingediend bij The Astrophysical Journal.

Zelfs dat kleine aantal daagt recent uit om na te denken over hoe superzware zwarte gaten werden gevormd. Theoretici hadden alternatieven nodig voor een eenvoudig scenario van geleidelijke groei, niet alleen omdat IMBH's ontbraken, maar ook omdat astronomen gigantische quasars hebben geïdentificeerd > toen het universum minder dan een miljard jaar oud was. Hoe kunnen massieve zwarte gaten in die vroege tijd zo groot worden, vraagt ​​theoreticus Avi Loeb van Harvard University.

Loeb en anderen stelden voor dat in het vroege universum enorme gaswolken rechtstreeks in gigantische zwarte gaten vielen, tussen 100.000 en 1 miljoen keer de massa van de zon, die de zaden vormden van de vroege quasars. Dat scenario zou zowel de snelheid van formatie als het gebrek aan IMBH's verklaren.

Het nieuwe resultaat suggereert echter dat ten minste enkele superzware zwarte gaten uit kleinere zaden groeiden. De 10 bevestigde IMBH's passen in een patroon van geleidelijke groei: hun massa's correleren met de grootte van de galactische uitstulping rondom hen, wat suggereert dat elk zwart gat in de pas groeit met zijn gastheer. Treister zegt dat de voor de hand liggende conclusie is dat er niet één scenario is: beide gebeuren. Nu is de vraag, wat komt vaker voor?

Bromm zegt dat directe ineenstorting alleen mogelijk was geweest in het zeer vroege universum omdat het bouwmateriaal voor sterren en sterrenstelsels toen anders was. De oerknal genereerde alleen waterstof en een beetje helium. Zwaardere elementen kwamen miljoenen jaren later bij de mix, nadat de vroege sterren die elementen hadden gesmeed en ze vervolgens verspreidden toen ze stierven. Eenmaal aanwezig, hielpen de zwaardere elementen het oergas afkoelen omdat ze bij hoge temperaturen geïoniseerd werden, waardoor het gas gloeide en warmte afvoerde. Een koelere gaswolk fragmenteert waarschijnlijk in vele sterren de zaden van kleine zwarte gaten. Een hete wolk daarentegen kan instorten in een enkel gigantisch object, met een beetje hulp van de zwaartekracht van donkere materie, suggereert Bromm. Het zou een zeldzame gebeurtenis zijn, geeft hij toe, iets van een cosmisch wonder.

De enige manier om erachter te komen welk scenario domineert, is door meer middengewichten te vinden. De hindernis, zegt Chilingarian, is het ontbreken van röntgenonderzoek. Een in Duitsland gebouwde x-ray survey-telescoop genaamd eROSITA wordt naar verwachting later dit jaar of begin volgend jaar gelanceerd aan boord van het Russische observatorium Spektr-RG. It ll produceert een zeer mooie gegevensset, zegt Chilingarian. Hij wedt dat het honderden meer bevestigde IMBH's oplevert en meer licht werpt op de oorsprong van zwarte gaten.