Astronomen die gebruik maken van ESO’s Very Large Telescope hebben voorraden van koel gas waargenomen rond enkele van de vroegste sterrenstelsels in het heelal. Deze gashalo’s zijn het perfecte voedsel voor superzware zwarte gaten in het centrum van deze stelsels, die we nu waarnemen zoals ze er meer dan 12,5 miljard jaar geleden uitzagen. Deze voedselvoorraad kan verklaren waarom deze kosmische monsters zo snel konden groeien tijdens de periode die ook wel de kosmische dageraad wordt genoemd.
‘We kunnen nu voor het eerst aantonen dat de eerste sterrenstelsels genoeg voedsel in hun omgeving hebben om zowel de groei van superzware zwarte gaten als de snelle vorming van sterren gaande te houden’, zegt Emanuele Paolo Farina van het Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, Duitsland, die leiding gaf aan het onderzoek waarvan de resultaten vandaag in de Astrophysical Journal zijn gepresenteerd. ‘Dit voegt een belangrijk stukje toe aan de puzzel van de vorming van de kosmische structuren, die meer dan 12 miljard jaar geleden plaatsvond.’ Astronomen vragen zich al geruime tijd af hoe superzware zwarte gaten al zo vroeg in de geschiedenis van het heelal zo groot kunnen zijn geworden. ‘Het bestaan van deze vroege monsters, met enkele miljarden keren zoveel massa als onze zon, is een groot raadsel’, zegt Farina, die tevens verbonden is aan het Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching bei München. Het betekent dat de eerste zwarte gaten, die kunnen zijn ontstaan door de ineenstorting van de eerste sterren, heel snel zijn gegroeid. Maar tot nu toe hadden astronomen nog niet genoeg voedsel in de vorm van gas en stof opgespoord om deze snelle groei te kunnen verklaren.
Om de zaken nog ingewikkelder te maken zijn bij eerdere waarnemingen met ALMA, de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, grote hoeveelheden stof en gas in deze sterrenstelsels opgespoord die klaarblijkelijk voor de snelle vorming van sterren werden gebruikt. Deze ALMA-waarnemingen leken erop te wijzen dat er maar weinig overbleef om een zwart gat te voeden. Om dit mysterie op te lossen hebben Farina en zijn collega’s het MUSE-instrument van ESO’s Very Large Telescope (VLT) in de Chileense Atacama-woestijn gebruikt om zogeheten quasars te onderzoeken – extreem heldere objecten die hun energie ontlenen aan superzware zwarte gaten die zich in de kernen van massarijke sterrenstelsels bevinden. Bij het onderzoek zijn 31 quasars bekeken die worden waargenomen zoals ze er meer dan 12,5 miljard jaar geleden uitzagen. Op dat moment bestond het jeugdige heelal nog maar ongeveer 870 miljoen jaar. Het betreft een van de grootste verkenningen van verre quasars die ooit zijn gedaan.
De astronomen ontdekten dat twaalf van deze quasars zijn omgeven door enorme voorraden gas: halo’s van koel, dicht waterstofgas die zich tot op 100.000 lichtjaar van de centrale zwarte gaten uitstrekken en miljarden malen zoveel massa hebben als de zon. Het team, bestaande uit onderzoekers uit Duitsland, de VS, Italië en Chili, hebben ook ontdekt dat deze gashalo’s nauw verbonden zijn met de sterrenstelsels, en dus de perfecte voedselbron zijn voor zowel de groei van superzware zwarte gaten als de vorming van grote aantallen nieuwe sterren. Het onderzoek was mogelijk dankzij de grote gevoeligheid van MUSE, de Multi Unit Spectroscopic Explorer van ESO’s VLT, die door Farina wordt omschreven als een baanbrekend instrument voor het quasaronderzoek. ‘In slechts enkele uren per object konden we in het omhulsel van enkele van de zwaarste en meest vraatzuchtige zwarte gaten in het jonge heelal duiken’, voegt hij daaraan toe. Quasars zelf zijn erg helder, maar de gasvoorraden om hen heen zijn veel moeilijker waarneembaar. Met MUSE is het echter gelukt om de zwakke gloed van het waterstofgas in de halo’s te detecteren, zodat astronomen nu eindelijk weten waar het materiaal vandaan komt dat de superzware zwarte gaten in het vroege heelal van energie voorziet.
In de toekomst zal ESO’s Extremely Large Telescope (ELT) nog meer details van sterrenstelsels en superzware zwarte gaten in de eerste paar miljard jaar na de oerknal onthullen. ‘Met de kracht van de ELT zullen we nog dieper het heelal in kunnen duiken en nog meer van zulke gasnevels ontdekken’, voorspelt Farina.
Meer informatie
De resultaten van het onderzoek zijn te vinden in een artikel dat in de Astrophysical Journal verschijnt.
Het onderzoeksteam bestaat uit Emanuele Paolo Farina (Max-Planck-Institut für Astronomie [MPIA], Heidelberg, Duitsland en Max-Planck-Institute für Astrophysik [MPA], Garching bei München, Duitsland), Fabrizio Arrigoni-Battaia (MPA), Tiago Costa (MPA), Fabian Walter (MPIA), Joseph F. Hennawi (MPIA en Department of Physics, Universiteit van Californië, Santa Barbara, VS [UCSB Physics]), Anna-Christina Eilers (MPIA), Alyssa B. Drake (MPIA), Roberto Decarli (Astrophysics and Space Science Observatory of Bologna, Italian National Institute for Astrophysics [INAF], Bologna, Italië), Thales A. Gutcke (MPA), Chiara Mazzucchelli (European Southern Observatory, Vitacura, Chili), Marcel Neeleman (MPIA), Iskren Georgiev (MPIA), Eduardo Bañados (MPIA), Frederick B. Davies (UCSB Physics), Xiaohui Fan (Steward Observatory, Universiteit van Arizona, Tucson, VS [Steward]), Masafusa Onoue (MPIA), Jan-Torge Schindler (MPIA), Bram P. Venemans (MPIA), Feige Wang (UCSB Physics), Jinyi Yang (Steward), Sebastian Rabien (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching bei München, Duitsland) en Lorenzo Busoni (INAF-Arcetri Astrophysical Observatory, Florence, Italië).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door vijftien lidstaten: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili, met Australië als strategische partner. 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) en haar toonaangevende Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen – VISTA, die in het infrarood werkt, en de op zichtbare golflengten opererende VLT Survey Telescope. ESO speelt tevens een belangrijke partnerrol bij twee faciliteiten op Chajnantor, APEX en ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
