Kosmische blokkade verklaart invloed zwarte gaten
Een internationaal team van sterrenkundigen onder leiding van prof.dr. Jelle Kaastra heeft een vreemd fenomeen ontdekt bij het superzware zwarte gat in het centrum van een veel bestudeerd sterrenstelsel.
Een klonterige gasstroom beweegt zich met hoge snelheid van het zwarte gat af en blokkeert 90% van de röntgenstraling die het zwarte gat uitzendt. De blokkade is het eerste directe bewijs voor het bestaan van een lang voorspeld afschermingsproces, dat nodig is om krachtige gasstromen vanaf het zwarte gat te laten accelereren tot winden met hoge snelheden. Publicatie in Science, 19 juni 2014.
Doorbraak
Het team van sterrenkundigen, dat onder leiding stond van de Leidse hoogleraar Jelle Kaastra, tevens onderzoeker bij SRON, maakte voor het onderzoek gebruik van de grote ruimtetelescopen van ESA en NASA: XMM-Newton, the Hubble Space Telescope, Swift, NuSTAR, Chandra en INTEGRAL.
Kaastra: ‘Het is echt een doorbraak. Het leidt tot een beter beeld van hoe superzware zwarte gaten de hun omringende sterrenstelsels beïnvloeden.’
‘Bij zwarte gaten in andere sterrenstelsels zijn weliswaar ook gasstromen bekend, maar die hebben niet zulke drastische veranderingen ondergaan,’ vult Gerard Kriss van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md. aan. ‘Dit is de eerste keer dat een gasstroom als deze in onze zichtlijn verschijnt. We hebben geluk gehad. Meestal gebeurt dit niet bij dit soort objecten.’
Winden
Gulzige zwarte gaten ‘eten’ vaak een beetje slordig. Materie die naar een zwart gat toe valt, wordt opgewarmd en zendt daardoor röntgenstraling en ultraviolette straling uit. De ultraviolette straling kan winden van het zwarte gat af lanceren die zo krachtig zijn dat ze gas kunnen wegblazen dat anders naar het zwarte gat zou toevallen. Deze winden kunnen daardoor de groei van zowel het zwarte gat als het omringende sterrenstelsel reguleren.
De crux is dat deze winden alleen ontstaan als hun punt van oorsprong wordt afgeschermd van de röntgenstraling uit het zwarte gat. De nieuw ontdekte gasstroom in het Seyfert-sterrenstelsel NGC 5548 - met een superzwaar zwart gat in zijn centrum en een van de meest bestudeerde bronnen van dit type in de laatste 50 jaar - levert deze bescherming of blokkade. Het lijkt erop dat de afscherming al zo’n drie jaar lang aan de gang is.
Puzzelstukjes
Het team ontdekte meteen na waarnemingen met de Hubble Space Telescope, die NGC 5548 op 2 juni 2013 observeerde, aanwijzingen voor de blokkade. Er hadden dramatische veranderingen plaatsgevonden sinds de Hubble-waarnemingen in 2011. Kriss: ‘Ik zag de vingerafdrukken van een veel kouder gas dan eerder was waargenomen. Dat betekende dat het gas sterk moest zijn afgekoeld als gevolg van een sterke afname van de ioniserende röntgenstraling vanuit het centrum.’
Nadat ze de gegevens van de zes ruimtetelescopen hadden samengevoegd en bestudeerd kon het team de puzzelstukjes definitief in elkaar passen. Naast de aanhoudende wind van NGC 5548, die al twee decennia bekend is en die snelheden van boven de 1000 km per seconde bereikt, bleek er een nieuwe wind op het toneel te zijn verschenen: nog veel krachtiger en sneller dan de aanhoudende wind.
Dramatische veranderingen
‘De nieuwe wind bevindt zich veel dichter bij het centrum en bereikt snelheden van tot wel 5000 km per seconde,’ zegt Kaastra. ‘Hij verbergt niet alleen eenderde van de regio die ultraviolette straling uitzendt, heel dicht bij het zwarte gat, maar blokkeert ook 90 procent van de röntgenstraling uit het zwarte gat.’ Vanwege deze afscherming ontvangt de aanhoudende wind verder van het centrum minder röntgenstraling, waardoor hij afkoelt. Co-auteur Nahum Arav: ‘Als gevolg van deze afkoeling zien we nieuwe dingen in het spectrum van de wind. Deze zorgen ervoor dat we de locatie van de krachtigste component van de wind kunnen bepalen.’
De sterke absorptie van röntgenstraling door geïoniseerd gas is al eerder waargenomen bij andere objecten in de ruimte. Het is altijd toegeschreven aan passerende wolken. ‘Maar dankzij de gegevens van Hubble en XMM-Newton weten we dat het hier gaat om een snel bewegende naar buiten gerichte gasstroom heel dicht bij het centrum,’ zegt teamlid Massimo Cappi. ‘De wind is misschien ontstaan uit de accretieschijf,’ vult Pierre-Olivier Petrucci aan.
Publicatie
De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Science: A fast and long-lived outflow from the supermassive black hole in NGC 5548, by Kaastra et al.
Animatie
Een film van Renaud Person (regisseur van onder meer Assassin’s Creed © Ubisoft) visualiseert een reis door de binnenste regionen van NGC5548, en brengt de resultaten van het onderzoek in beeld.