Twee internationale teams van astronomen hebben, met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), de ‘jets’ (bundels van wegstromende materie) onder de loep genomen die door de enorme zwarte gaten in de kernen van sterrenstelsels worden uitgestoten.
Daarbij hebben zij het beste beeld verkregen van het moleculaire gas rond een nabij, rustig zwart gat en een onverwachte glimp opgevangen van de bron van een krachtige jet bij een ver zwart gat. In het hart van bijna elk sterrenstelsel in het heelal, ook in onze eigen Melkweg, bevindt zich een zwart gat met een massa die kan oplopen tot enkele miljarden zonsmassa’s. In het verre verleden waren deze bizarre objecten heel actief: ze slokten enorme hoeveelheden materie op uit hun omgeving en waren oogverblindend helder. Tegelijkertijd stootten ze ook bescheiden hoeveelheid materie uit in de vorm van extreem krachtige jets. In het huidige heelal zijn de meeste superzware zwarte gaten veel minder actief dan in hun jeugd, maar de interactie tussen de jets en hun omgeving speelt nog steeds een rol bij de evolutie van sterrenstelsels.
Bij twee nieuwe onderzoeken, waarvan de resultaten vandaag in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics worden gepubliceerd, is ALMA ingezet om de jets van twee zwarte gaten op zeer verschillende afstanden te onderzoeken: die van het nabije en relatief rustige zwarte gat in het stelsel NGC 1433 en die van het zeer verre en actieve object PKS 1830-211.
‘ALMA heeft het bestaan van een verrassende spiraalstructuur in het moleculaire gas in het centrum van NGC 1433 aan het licht gebracht,’ zegt Françoise Combes (Observatoire de Paris, Frankrijk), die hoofdauteur is van het eerste artikel. ‘Dit verklaart hoe de materie die het zwarte gat voedt naar binnen stroomt. Met de scherpe nieuwe waarnemingen van ALMA hebben we een jet van materie ontdekt die van het zwarte gat weg stroomt en zich over slechts 150 lichtjaar uitstrekt. Dit is de kleinste moleculaire uitstroom van dit type dat ooit in een extragalactisch stelsel is waargenomen.’ De ontdekking van deze uitstroom, die wordt meegesleept door de jet van het centrale zwarte gat, laat zien op welke wijze dergelijke jets de stervorming kunnen stilleggen en de groei van de bulge (centrale verdikking) van sterrenstelsels beïnvloeden [1].
In PKS 1830-211 hebben Ivan Martí-Vidal (Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Onsala, Zweden) en zijn team ook een superzwaar zwart gat met een jet waargenomen. Maar dit exemplaar is aanzienlijk helderder en actiever, en staat veel verder weg [2]. Het valt op doordat zijn heldere licht onderweg naar de aarde een zwaar tussenliggend sterrenstelsel passeert en door het gravitatielenseffect in twee beelden is gesplitst [3].
Af en toen slokken superzware zwarte gaten plotseling een enorme hoeveelheid materie op [4], waardoor de jet in kracht toeneemt en de uitgezonden straling de allerhoogste energieën bereikt. Bij toeval heeft ALMA bij PKS 1830-211 zo’n gebeurtenis waargenomen.
‘De ALMA-waarneming van dit geval van ‘voedselopname’ door een zwart gat berust op een gelukkige samenloop van omstandigheden. Toen we PKS 1830-211 voor een ander doel waarnamen, viel ons op dat de beelden van de gravitatielens subtiele veranderingen in kleur en intensiteit vertoonden. Bij nadere beschouwing van dit onverwachte gedrag kwamen we tot de conclusie dat we, door een heel gelukkig toeval, getuige waren van het moment waarop de jet van het zwarte gat van verse nieuwe materie werd voorzien,’ aldus Sebastien Muller, een van de auteurs van het tweede artikel. Het team zocht ook uit of deze heftige gebeurtenis was geregistreerd met andere telescopen en ontdekte tot ieders verrassing dat de Fermi-LAT-satelliet een heel duidelijk gammasignaal had vastgelegd. Het proces dat de toename in straling op ALMA’s lange golflengten had veroorzaakt, had het licht van de jet dus ook opgevoerd tot de hoogst mogelijke energieën [5].
‘Het is voor het eerst dat bij de feitelijke bron van de jet van een zwart gat zo’n duidelijk verband tussen gammastraling en submillimeter-radiostraling is vastgesteld,’ voegt Muller daar aan toe. De twee nieuwe waarnemingen zijn slechts het begin van ALMA’s onderzoek van de werking van de jets van superzware zwarte gaten. Het team van Combe is al bezig om andere nabije actieve sterrenstelsels met ALMA te bestuderen, en het unieke object PKS 1830-211 zal naar verwachting nog vele malen met ALMA en andere telescopen onder de loep worden genomen.
‘Er is nog een hoop te leren over de manier waarop zwarte gaten deze enorm energierijke jets van materie en straling kunnen produceren,’ concludeert Ivan Martí-Vidal. ‘Maar de nieuwe resultaten, verkregen toen ALMA nog niet eens compleet was, laten zien dat deze telescoop heel geschikt is voor het onderzoek van jets – we staan nog maar aan het begin van de ontdekkingen!’
Noten
[1] Dit terugkoppelingsproces zou de verklaring kunnen zijn voor het raadselachtige verband tussen de massa van het zwarte gat in het centrum van een sterrenstelsel en de massa van de omringende bulge. Het zwarte gat verzamelt gas en wordt daardoor actiever, maar produceert vervolgens jets die het gas uit de omgeving wegblazen en de stervorming stilleggen.
[2] PKS 1830-211 heeft een roodverschuiving van 2,5, wat betekent dat zijn licht er ongeveer 11 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken. Het licht dat we zien werd uitgezonden toen het heelal vijf keer zo jong was als nu. Ter vergelijking: het licht van NGC 1433 heeft er maar ongeveer 30 miljoen jaar over gedaan om de aarde te bereiken – een oogwenk naar astronomische begrippen.
[3] Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat lichtstralen worden afgebogen als ze een zwaar object, zoals een sterrenstelsel, passeren. Sinds 1979 zijn tal van voorbeelden van dit zogeheten gravitatielenseffect ontdekt. Deze lenswerking kan meervoudige, vervormde en versterkte beelden van achtergrondobjecten veroorzaken.
[4] De opgeslokte materie kan bestaan uit een ster of een moleculaire gaswolk. Een voorbeeld van zo’n naar binnen vallende gaswolk is waargenomen in het centrum van de Melkweg (eso1151, eso1332).
[5] Deze energie wordt uitgezonden in de vorm van gammastraling – de meest energierijke en kortgolvige vorm van elektromagnetische straling.
Meer informatie
De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van Europa, Noord-Amerika en Oost-Azië, met steun van de republiek Chili. ALMA wordt in Europa gefinancierd door de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), in Noord-Amerika door de National Science Foundation (NSF) van de VS in samenwerking met de National Research Council van Canada (NRC) en de National Science Council van Taiwan (NSC), en in Oost-Azië door de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan. De bouw en het beheer van ALMA worden namens Europa geleid door ESO, namens Noord-Amerika door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat bestuurd wordt door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO). De resultaten van deze onderzoeksprojecten worden gepresenteerd in de artikelen ‘ALMA observations of feeding and feedback in nearby Seyfert galaxies: an AGN-driven outflow in NGC1433’ van F. Combes et al. en ‘Probing the jet base of the blazar PKS 1830−211 from the chromatic variability of its lensed images: Serendipitous ALMA observations of a strong gamma-ray flare’ van I. Martí-Vidal et al. Beide artikelen zullen verschijnen in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics.
Het eerste team bestaat uit F. Combes (Observatoire de Paris, Frankrijk), S. García-Burillo (Observatorio de Madrid, Spanje), V. Casasola (INAF–Istituto di Radioastronomia, Milaan, Italië), L. Hunt (INAF–Osservatorio Astrofisico di Arcetri, Florence, Italië), M. Krips (IRAM, Saint Martin d’Hère, Frankrijk), A.J. Baker (Rutgers, the State University of New Jersey, Piscataway, VS), F. Boone (CNRS, IRAP, Toulouse, Frankrijk), A. Eckart (Universität zu Köln, Duitsland), I. Marquez (Instituto de Astrofísica de Andalucía, Granada, Spanje), R. Neri (IRAM), E. Schinnerer (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Duitsland) en L.J. Tacconi (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching bei München, Duitsland).
Het tweede team bestaat uit I. Martí-Vidal (Chalmers University of Technology, Onsala Space Observatory, Onsala, Zweden), S. Muller (Onsala), F. Combes (Observatoire de Paris, Frankrijk), S. Aalto (Onsala), A. Beelen (Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Sud, Frankrijk), J. Darling (University of Colorado, Boulder, VS), M. Guélin (IRAM, Saint Martin d’Hère, Frankrijk; Ecole Normale Supérieure/LERMA, Paris, Frankrijk), C. Henkel (Max-Planck-Institut für Radioastronomie [MPIfR], Bonn, Duitsland; King Abdulaziz University, Jeddah, Saoedi-Arabië), C. Horellou (Onsala), J.M. Marcaide (Universitat de València, Spanje), S. Martín (ESO, Santiago, Chili), K.M. Menten (MPIfR), Dinh-V-Trung (Vietnam Academy of Science and Technology, Hanoi, Vietnam) en M. Zwaan (ESO, Garching, Duitsland).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien landen: België, Brazilië, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT), de meest geavanceerde optische sterrenwacht ter wereld, en twee surveytelescopen: VISTA werkt in het infrarood en is de grootste surveytelescoop ter wereld en de VLT Survey Telescope is de grootste telescoop die uitsluitend is ontworpen om de hemel in zichtbaar licht in kaart te brengen. ESO is ook de Europese partner van de revolutionaire telescoop ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. Daarnaast bereidt ESO momenteel de bouw voor van de 39-meter Europese Extremely Large optical/near-infrared Telescope (E-ELT), die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
