Astronomen van het MIT hebben het ongrijpbare sterlicht rond een aantal van de vroegste quasars in het heelal waargenomen. De verre signalen, die meer dan 13 miljard jaar teruggaan tot de kinderschoenen van het heelal, onthullen aanwijzingen over hoe de allereerste zwarte gaten en sterrenstelsels zich ontwikkelden. Quasars zijn de zinderende centra van actieve sterrenstelsels, die in hun kern een onverzadigbaar superzwaar zwart gat herbergen.
De meeste sterrenstelsels hebben een centraal zwart gat dat zich af en toe tegoed doet aan gas en stellaire brokstukken, waarbij een korte lichtuitbarsting ontstaat in de vorm van een gloeiende ring als materiaal naar het zwarte gat toe dwarrelt. Quasars daarentegen kunnen over een veel langere periode enorme hoeveelheden materie verbruiken, waardoor een extreem heldere en langdurige ring ontstaat - zo helder zelfs dat quasars tot de meest heldere objecten in het heelal behoren. Omdat ze zo helder zijn, overschaduwen quasars de rest van het sterrenstelsel waarin ze zich bevinden. Maar het MIT-team kon voor het eerst het veel zwakkere licht waarnemen van sterren in de gaststelsels van drie oude quasars. Op basis van dit ongrijpbare stellaire licht schatten de onderzoekers de massa van elk gaststelsel ten opzichte van de massa van het centrale superzware zwarte gat. Ze ontdekten dat de centrale zwarte gaten van deze quasars veel massiever waren dan die van hun gaststelsel, vergeleken met hun moderne tegenhangers.
De bevindingen, die vandaag zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal, werpen mogelijk licht op hoe de vroegste superzware zwarte gaten zo massief werden ondanks de relatief korte kosmische tijd waarin ze konden groeien. In het bijzonder kunnen deze vroegste monster-zwarte gaten zijn ontstaan uit massievere "zaden" dan moderne zwarte gaten. "Nadat het universum was ontstaan, waren er zwarte gaten die materiaal verbruikten en in zeer korte tijd groeiden," vertelt studieauteur Minghao Yue, een postdoc bij het MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Een van de grote vragen is om te begrijpen hoe die zwarte monstergaten zo snel zo groot konden worden."
"Deze zwarte gaten zijn miljarden keren massiever dan de zon, op een moment dat het heelal nog in de kinderschoenen staat", zegt studieauteur Anna-Christina Eilers, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "Onze resultaten impliceren dat superzware zwarte gaten in het vroege heelal hun massa kunnen hebben gekregen voordat hun gaststelsel dat deed, en dat de initiële zaden van zwarte gaten massiever kunnen zijn geweest dan vandaag de dag." Tot de co-auteurs van Eilers en Yue behoren Robert Simcoe, directeur van MIT Kavli, MIT Hubble Fellow en postdoc Rohan Naidu, en medewerkers in Zwitserland, Oostenrijk, Japan en aan de North Carolina State University.
Oogverblindende kernen
De extreme helderheid van een quasar is al duidelijk sinds astronomen de objecten in de jaren zestig voor het eerst ontdekten. Ze namen toen aan dat het licht van de quasar afkomstig was van een enkele, sterachtige "puntbron". Wetenschappers noemden de objecten "quasars", een afkorting van "quasi-stellair" object. Sinds die eerste waarnemingen hebben wetenschappers zich gerealiseerd dat quasars in feite niet van stellaire oorsprong zijn, maar afkomstig zijn van de ophoping van intens krachtige en hardnekkige superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels die ook sterren herbergen, die veel zwakker zijn in vergelijking met hun oogverblindende kernen.
Het is een enorme uitdaging om het licht van het centrale zwarte gat van een quasar te scheiden van het licht van de sterren van het gaststelsel. Het lijkt een beetje op het onderscheiden van een veld vuurvliegjes rond een centraal, massief zoeklicht. Maar in de afgelopen jaren hebben astronomen veel meer kans gehad om dit te doen dankzij de lancering van NASA's James Webb Space Telescope (JWST), die verder terug in de tijd kan kijken, en met een veel hogere gevoeligheid en resolutie, dan welk bestaand observatorium dan ook. In hun nieuwe studie gebruikten Yue en Eilers speciale tijd op JWST om zes bekende, oude quasars te observeren, met tussenpozen van de herfst van 2022 tot de daaropvolgende lente. In totaal verzamelde het team meer dan 120 uur aan waarnemingen van de zes verre objecten.
"De quasar overtreft zijn gaststelsel met ordes van grootte. En eerdere beelden waren niet scherp genoeg om te onderscheiden hoe het gaststelsel met al zijn sterren eruitziet," zegt Yue. "Nu zijn we voor het eerst in staat om het licht van deze sterren te onthullen door heel zorgvuldig de veel scherpere beelden van deze quasars van JWST te modelleren."
Een lichtbalans
Het team inventariseerde de beeldgegevens die JWST had verzameld van elk van de zes verre quasars, waarvan ze schatten dat ze ongeveer 13 miljard jaar oud zijn. Die gegevens omvatten metingen van het licht van elke quasar in verschillende golflengten. De onderzoekers voerden die gegevens in een model in om te bepalen hoeveel van dat licht waarschijnlijk afkomstig is van een compacte "puntbron", zoals de accretieschijf van een centraal zwart gat, versus een meer diffuse bron, zoals licht van de omringende, verstrooide sterren van het gaststelsel.
Door deze modellering heeft het team het licht van elke quasar in twee componenten verdeeld: licht van de lichtgevende schijf van het centrale zwarte gat en licht van de meer diffuse sterren van het gaststelsel. De hoeveelheid licht van beide bronnen is een weerspiegeling van hun totale massa. De onderzoekers schatten dat voor deze quasars de verhouding tussen de massa van het centrale zwarte gat en de massa van het gaststelsel ongeveer 1:10 was. Dit, zo realiseerden ze zich, stond in schril contrast met de huidige massabalans van 1:1.000, waarin recenter gevormde zwarte gaten veel minder massief zijn in vergelijking met hun gaststelsel.
"Dit vertelt ons iets over wat het eerst groeit: is het het zwarte gat dat het eerst groeit, en haalt het sterrenstelsel het daarna in? Of groeien het sterrenstelsel en zijn sterren eerst en domineren en reguleren zij de groei van het zwarte gat?" Eilers legt uit. "We zien dat zwarte gaten in het vroege heelal sneller lijken te groeien dan hun gaststelsel. Dat is een voorlopig bewijs dat de initiële zaden van zwarte gaten toen massiever kunnen zijn geweest." "Er moet een mechanisme zijn geweest waardoor een zwart gat in die eerste miljarden jaren eerder aan massa won dan hun gaststelsel," voegt Yue toe. "Het is zo'n beetje het eerste bewijs dat we hiervoor zien, wat opwindend is."
Bron: Phys.org
