De Hubble-ruimtetelescoop en het Chandra-röntgenobservatorium van NASA hebben samen een nieuw mogelijk voorbeeld van een zeldzame klasse zwarte gaten geïdentificeerd. Deze heldere röntgenbron, NGC 6099 HLX-1 genaamd, lijkt zich te bevinden in een compact sterrencluster in een reusachtig elliptisch sterrenstelsel. Slechts enkele jaren na de lancering in 1990 ontdekte Hubble dat sterrenstelsels in het hele universum in hun centrum superzware zwarte gaten kunnen bevatten die miljoenen of miljarden keren zwaarder zijn dan onze zon.
Daarnaast bevatten sterrenstelsels ook miljoenen kleine zwarte gaten die minder dan 100 keer de massa van de zon wegen. Deze ontstaan wanneer zware sterren het einde van hun leven bereiken. Veel moeilijker te vinden zijn zwarte gaten met een gemiddelde massa (IMBH's), die tussen enkele honderden en enkele honderdduizenden keren de massa van onze zon wegen. Deze categorie zwarte gaten, die niet te groot en niet te klein zijn, is vaak onzichtbaar voor ons omdat IMBH's niet zoveel gas en sterren opslokken als de superzware zwarte gaten, die krachtige straling uitzenden. Ze moeten op heterdaad betrapt worden tijdens het foerageren om gevonden te worden. Wanneer ze af en toe een ongelukkige voorbijgaande ster verslinden – in wat astronomen een getijdeverstoringsgebeurtenis noemen – stoten ze een stortvloed aan straling uit.
De nieuwste waarschijnlijke IMBH, die in telescoopgegevens werd betrapt op snacken, bevindt zich aan de rand van het sterrenstelsel NGC 6099, op ongeveer 40.000 lichtjaar van het centrum van het sterrenstelsel, zoals beschreven in een nieuwe studie in het Astrophysical Journal. Het sterrenstelsel bevindt zich op ongeveer 450 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Hercules. Astronomen zagen voor het eerst een ongebruikelijke bron van röntgenstraling op een foto die in 2009 door Chandra was genomen. Vervolgens volgden ze de ontwikkeling ervan met de XMM-Newton-ruimtetelescoop van ESA.
“Röntgenbronnen met een dergelijke extreme helderheid zijn zeldzaam buiten de kernen van sterrenstelsels en kunnen dienen als een belangrijke probeersteen voor het identificeren van ongrijpbare IMBH's. Ze vormen een cruciale ontbrekende schakel in de evolutie van zwarte gaten tussen stellaire massa en superzware zwarte gaten”, aldus hoofdauteur Yi-Chi Chang van de Nationale Tsing Hua Universiteit in Hsinchu, Taiwan.
De röntgenstraling afkomstig van NGC 6099 HLX-1 heeft een temperatuur van 3 miljoen graden, wat overeenkomt met een getijdeverstoringsgebeurtenis. Hubble vond bewijs voor een kleine cluster van sterren rond het zwarte gat. Deze cluster zou het zwarte gat veel te eten geven, omdat de sterren zo dicht op elkaar gepakt zitten dat ze slechts enkele lichtmaanden (ongeveer 500 miljard mijl) van elkaar verwijderd zijn.
De vermoedelijke IMBH bereikte zijn maximale helderheid in 2012 en bleef daarna dalen tot 2023. De optische en röntgenwaarnemingen over deze periode overlappen elkaar niet, wat de interpretatie bemoeilijkt. Het zwarte gat kan een gevangen ster hebben verscheurd, waardoor een plasmaschijf is ontstaan die variabiliteit vertoont, of het kan een schijf hebben gevormd die flikkert terwijl gas naar het zwarte gat stort.
“Als het IMBH een ster opeet, hoe lang duurt het dan om het gas van de ster te verzwelgen? In 2009 was HLX-1 vrij helder. In 2012 was het ongeveer 100 keer helderder. En daarna nam de helderheid weer af”, aldus medeauteur van de studie Roberto Soria van het Italiaanse Nationale Instituut voor Astrofysica (INAF). “Dus nu moeten we afwachten of het meerdere keren oplicht, of dat er een begin was, een piek, en dat het nu gewoon helemaal zal afnemen totdat het verdwijnt.”
De IMBH bevindt zich aan de rand van het gaststerrenstelsel NGC 6099, ongeveer 40.000 lichtjaar van het centrum van het sterrenstelsel. Vermoedelijk bevindt zich in de kern van het sterrenstelsel een superzwaar zwart gat, dat momenteel inactief is en geen sterren verslindt.
Bouwstenen van zwarte gaten
Het team benadrukt dat onderzoek naar IMBH's kan onthullen hoe de grotere superzware zwarte gaten in de eerste plaats ontstaan. Er zijn twee alternatieve theorieën. De ene is dat IMBH's de kiemen zijn voor het ontstaan van nog grotere zwarte gaten door samen te smelten, aangezien grote sterrenstelsels groeien door kleinere sterrenstelsels op te nemen. Het zwarte gat in het midden van een sterrenstelsel groeit ook tijdens deze fusies. Hubble-waarnemingen hebben een evenredige relatie aan het licht gebracht: hoe zwaarder het sterrenstelsel, hoe groter het zwarte gat. Het beeld dat uit deze nieuwe ontdekking naar voren komt, is dat sterrenstelsels “satelliet-IMBH's” kunnen hebben die in de halo van een sterrenstelsel ronddraaien, maar niet altijd naar het centrum vallen.
Een andere theorie is dat de gaswolken in het midden van halo's van donkere materie in het vroege heelal niet eerst sterren vormen, maar direct instorten tot een superzwaar zwart gat. De ontdekking door de James Webb-ruimtetelescoop van NASA van zeer verre zwarte gaten die onevenredig zwaarder zijn in verhouding tot hun gaststerrenstelsel, lijkt deze theorie te ondersteunen. Er zou echter een observatiebias kunnen bestaan ten gunste van de detectie van extreem zware zwarte gaten in het verre heelal, omdat kleinere zwarte gaten te zwak zijn om te kunnen worden waargenomen. In werkelijkheid zou er meer variatie kunnen bestaan in de manier waarop ons dynamische heelal zwarte gaten vormt. Superzware zwarte gaten die instorten in halo's van donkere materie zouden gewoon op een andere manier kunnen groeien dan die in dwergsterrenstelsels, waar de accretie van zwarte gaten wellicht het favoriete groeimechanisme is.
“Als we geluk hebben, zullen we meer vrij zwevende zwarte gaten vinden die plotseling helder worden in röntgenstraling als gevolg van een getijdeverstoringsgebeurtenis. Als we een statistisch onderzoek kunnen doen, zal dit ons vertellen hoeveel van deze IMBH's er zijn, hoe vaak ze een ster verstoren en hoe grotere sterrenstelsels zijn gegroeid door kleinere sterrenstelsels samen te voegen”, aldus Soria.
De uitdaging is dat Chandra en XMM-Newton slechts een klein deel van de hemel bekijken, waardoor ze niet vaak nieuwe getijdeverstoringen vinden, waarbij zwarte gaten sterren opslokken. De Vera C. Rubin-observatorium in Chili, een telescoop voor het onderzoeken van de hele hemel van de Amerikaanse National Science Foundation en het Department of Energy, zou deze gebeurtenissen in optisch licht tot op honderden miljoenen lichtjaren afstand kunnen detecteren. Vervolgwaarnemingen met Hubble en Webb kunnen de sterrencluster rond het zwarte gat onthullen.
Bron: NASA
