Toen de JWST tot leven kwam en met zijn waarnemingen begon, was een van zijn eerste taken om terug in de tijd te kijken naar het vroege heelal. De assemblage van sterrenstelsels is een van de vier wetenschappelijke hoofdthema's van de ruimtetelescoop en toen het de eerste sterrenstelsels van het heelal observeerde, bracht het een mysterie aan het licht.
Sommige sterrenstelsels lijken superzware zwarte gaten (SMBH) in hun centrum te hebben die actieve galactische kernen (Active Galactic Nuclei - AGN) voeden. Ze zenden echter geen röntgenstraling uit, een van de kenmerken van AGN. Little Red Dot (LRD) sterrenstelsels zijn kleine, rode sterrenstelsels die ongeveer 600 miljoen jaar na de oerknal zijn gevormd. De JWST heeft er meer dan 300 gevonden, maar ze blijven samen een mysterie. Hun helderheid geeft aan dat ze massiever zijn en meer sterren bevatten dan ze op jonge leeftijd zouden moeten zijn. Onze modellen suggereren dat ze niet genoeg tijd hebben gehad om zo massief te worden.
Astronomen ontdekten toen AGN signaturen die het overtollige licht konden verklaren. In plaats van alleen sterren, was het overtollige licht van de LRD afkomstig van AGN. Dat zou betekenen dat de LRD's niet zo massief hoeven te zijn om al dat licht uit te zenden en dat hun grootte onze evolutie-modellen voor sterrenstelsels niet in twijfel zou trekken. Helaas veroorzaakt deze mogelijke conclusie nog een ander probleem. AGN's zenden krachtige röntgenstraling uit als het materiaal in hun accretieschijven opwarmt. Volgens nieuw onderzoek lijken LRD's echter geen röntgenstraling uit te zenden. Het nieuwe onderzoek, getiteld “Chandra Rules Out Super-Eddington Accretion For Little Red Dots”, is ingediend bij The Astrophysical Journal. De auteurs zijn Andrea Sacchi en Akos Bogdan, beiden van de Harvard en Smithsonian Centers for Astrophysics.
“Een belangrijke eigenschap van LRD's is hun extreme zwakte op het gebied van röntgenstraling: analyses van individuele en gestapelde bronnen hebben geen detecties of slechts aarzelende, onovertuigende röntgensignalen opgeleverd, behalve in een handvol individuele gevallen,” schrijven de auteurs. Het gebrek aan röntgenstraling draait alles om. Als er geen röntgenstraling is, kunnen er geen AGN's met accretieschijven zijn. Als er geen accretieschijven zijn, dan kan de krachtige helderheid van LRD niet van SMBH's komen. Als het niet van SMBH's kan komen, dan moet het van sterren komen. Dan zijn we weer terug bij af: proberen te verklaren hoe vroege sterrenstelsels zo massief en vol sterren waren.
Sommige onderzoekers hebben een andere oplossing voorgesteld. Zij zeggen dat de SMBH's een super-Eddington-accretiesnelheid hebben. Accretie van SMBH-zwarte gaten wordt bepaald door de Eddington-limiet. De Eddington-limiet is een fundamenteel concept in de astrofysica dat de maximale helderheid en accretiesnelheden voor astrofysische objecten zoals SMBH's verklaart. Een object bereikt de Eddington-limiet wanneer twee krachten in evenwicht zijn: uitwaartse straling en inwaartse gravitatie. Als een van deze krachten te sterk is, stoot het object zijn buitenste lagen uit of stopt het met verdere aangroei.
Astrofysici weten dat de Eddington-limiet de groei van SMBH's beïnvloedt. Ze hebben echter een zogenaamde super-Eddington-accretie voorgesteld om te verklaren hoe deze massieve objecten zo vroeg in het heelal zo massief werden. Objecten kunnen gedurende perioden de Eddington-limiet overschrijden en super-Eddington-accretie ervaren. Kan dat verklaren waarom LRD's zo helder zijn en tegelijkertijd zo zwak in röntgenstraling? De auteurs wijzen erop dat de enige andere verklaring voor het ontbreken van röntgenstraling verduistering is, en die verklaring heeft geen stand gehouden.
“Omdat de meest natuurlijke verklaring, hoge verduistering, wordt tegengewerkt door JWST spectroscopisch bewijs, hebben verschillende auteurs gesuggereerd dat de röntgenzwakte van LRD's intrinsiek is, als gevolg van super-Eddington accretiesnelheden,” schrijven de auteurs. “In dit werk testen we dat scenario door röntgengegevens te stapelen voor 55 LRD's in het Chandra Deep Field South, waarbij een totale belichtingstijd van bijna 400 Ms is opgebouwd.”
400 megaseconden is de cumulatieve waarneemtijd voor de 55 LRD's samen, niet de totale waarneemtijd van de telescoop. Dat is een indrukwekkende waarnemingsdiepte voor de 55 objecten. Als er sprake zou zijn van super-Eddington-accretie, zou dat het gebrek aan röntgenstraling verklaren. Super-Eddington-accretie creëert nog steeds röntgenstraling. Deze fotonen kunnen echter gevangen raken in de accretiestroom. Ze kunnen ook geabsorbeerd of verstrooid worden door uitstromingen en winden, of verduisterd worden door de dikke schijf of omhulling rond de SMBH. De huidige modellen laten zien dat super-Eddington-accretie nog steeds röntgenstraling uitzendt, maar dan in de vorm van zachte röntgenstraling met een lagere energie. 400 megaseconden aan gestapelde röntgenwaarnemingen zouden deze moeten detecteren.
“Ondanks het bereiken van ongekende röntgendieptes levert onze stack nog steeds een non-detectie op,” schrijven de auteurs. “De bijbehorende bovengrenzen zijn diep genoeg om de huidige super-Eddington-accretiemodellen uit te sluiten en zijn alleen compatibel met extreem hoge verduisteringsniveaus.” Volgens de auteurs blijft er maar één verklaring over: “Om de röntgenzwakte van LRD's te verklaren, speculeren we daarom dat de SMBH's in deze systemen niet zo massief of helder zijn als momenteel wordt aangenomen. “Andere onderzoekers hebben dit ook gesuggereerd. Dus wat is er aan de hand als waarnemingen geen röntgenstraling laten zien en als de JWST laat zien dat stofobservatie verantwoordelijk is?
“Als de bolometrische helderheden met een orde van grootte worden overschat, kunnen veel lagere niveaus van verduistering de röntgenstraling van SMBH's verbergen zonder dat dit leidt tot super-Eddington-accretie”, concluderen de auteurs. De JWST heeft zijn belofte waargemaakt door de vroegste sterrenstelsels van het heelal te onthullen. Dat de resultaten tegen onze modellen ingaan, is niet verrassend. Elke nieuwe missie en telescoop zorgt voor verrassingen en wetenschappers kijken vaak uit naar verrassende resultaten. Voorlopig zijn de LRD-sterrenstelsels nog onverklaard. Het mysterie is zelfs groter geworden.
Bron: Universe Today
