De Circinus-sterrenstelsel, een melkweg op ongeveer 13 miljoen lichtjaar afstand, bevat een actief superzwaar zwart gat dat zijn evolutie blijft beïnvloeden. Men dacht dat de grootste bron van infraroodlicht uit het gebied dat het dichtst bij het zwarte gat zelf ligt, uitstromingen waren, oftewel stromen van oververhitte materie die naar buiten schieten.
Nu leveren nieuwe waarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop van NASA, hier te zien op een nieuwe afbeelding van de Hubble-ruimtetelescoop van NASA, bewijs dat deze gedachtegang weerlegt en suggereert dat het grootste deel van het hete, stoffige materiaal in feite het centrale zwarte gat voedt. De techniek die is gebruikt om deze gegevens te verzamelen, biedt ook mogelijkheden om de uitstroom- en accretiecomponenten van andere nabijgelegen zwarte gaten te analyseren. Het onderzoek, dat de scherpste afbeelding van de omgeving van een zwart gat bevat die ooit door Webb is gemaakt, is dinsdag gepubliceerd in Nature.
Vraag over uitstroom
Superzware zwarte gaten zoals die in Circinus blijven actief door omringende materie te consumeren. Instromend gas en stof hoopt zich op in een donutvormige ring rond het zwarte gat, ook wel torus genoemd. Terwijl superzware zwarte gaten materie verzamelen van de binnenwanden van de torus, vormen ze een accretieschijf, vergelijkbaar met een draaikolk van water die rond een afvoer draait. Deze schijf wordt door wrijving steeds heter en wordt uiteindelijk zo heet dat hij licht uitstraalt. Deze gloeiende materie kan zo helder worden dat het moeilijk is om met telescopen op aarde details in het centrum van de melkweg te onderscheiden. Dit wordt nog moeilijker gemaakt door het heldere, verhullende sterrenlicht in Circinus. Bovendien is de torus ongelooflijk dicht, waardoor het binnenste gedeelte van het invallende materiaal, dat door het zwarte gat wordt verwarmd, vanuit ons gezichtspunt aan het oog onttrokken wordt. Decennialang hebben astronomen met deze moeilijkheden geworsteld en modellen van Circinus ontworpen en verbeterd met zoveel mogelijk gegevens die ze konden verzamelen.
“Om het superzware zwarte gat te bestuderen, moesten ze, ondanks dat ze het niet konden oplossen, de totale intensiteit van het binnenste gebied van het sterrenstelsel over een groot golflengtebereik verkrijgen en die gegevens vervolgens in modellen invoeren”, aldus hoofdauteur Enrique Lopez-Rodriguez van de Universiteit van South Carolina. Vroege modellen pasten bij de spectra van specifieke gebieden, zoals de emissies van de torus, die van de accretieschijf die het dichtst bij het zwarte gat ligt, of die van de uitstroom, die elk bij bepaalde golflengten van licht werden gedetecteerd. Aangezien het gebied echter niet in zijn geheel kon worden opgelost, lieten deze modellen vragen open bij verschillende golflengten. Sommige telescopen konden bijvoorbeeld een overmaat aan infraroodlicht detecteren, maar hadden onvoldoende resolutie om te bepalen waar dat precies vandaan kwam.
“Sinds de jaren 90 is het niet mogelijk geweest om de overmatige infraroodemissies te verklaren die afkomstig zijn van heet stof in de kernen van actieve sterrenstelsels, wat betekent dat de modellen alleen rekening houden met de torus of de uitstroom, maar die overmaat niet kunnen verklaren”, aldus Lopez-Rodriguez. Dergelijke modellen toonden aan dat het grootste deel van de emissie (en dus ook de massa) dicht bij het centrum afkomstig was van uitstroom. Om deze theorie te testen, hadden astronomen twee dingen nodig: de mogelijkheid om het sterrenlicht te filteren dat voorheen een diepgaandere analyse in de weg stond, en de mogelijkheid om de infraroodemissies van de torus te onderscheiden van die van de uitstroom. Webb, die gevoelig en technologisch geavanceerd genoeg is om beide uitdagingen aan te gaan, was noodzakelijk om ons begrip te vergroten.
De innovatieve techniek van Webb
Om in het centrum van Circinus te kunnen kijken, had Webb het Aperture Masking Interferometer-instrument op zijn NIRISS-instrument (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) nodig. Op aarde hebben interferometers meestal de vorm van telescooparrays: spiegels of antennes die samenwerken alsof ze één telescoop zijn. Een interferometer doet dit door het licht van de bron waarnaar hij is gericht te verzamelen en te combineren, waardoor de elektromagnetische golven waaruit licht bestaat met elkaar gaan ‘interfereren’ (vandaar ‘interferometer’) en interferentiepatronen ontstaan. Deze patronen kunnen door astronomen worden geanalyseerd om de grootte, vorm en kenmerken van verre objecten veel gedetailleerder te reconstrueren dan met niet-interferometrische technieken. Dankzij de Aperture Masking Interferometer kan Webb een reeks kleinere telescopen worden die samenwerken als een interferometer en zelf deze interferentiepatronen creëren. Dit doet hij door gebruik te maken van een speciale opening met zeven kleine, zeshoekige gaatjes, die, net als bij fotografie, de hoeveelheid en richting van het licht dat de detectoren van de telescoop binnenkomt, regelen.
“Deze gaatjes in het masker worden omgevormd tot kleine lichtverzamelaars die het licht naar de detector van de camera leiden en een interferentiepatroon creëren”, aldus Joel Sanchez-Bermudez, coauteur verbonden aan de Nationale Universiteit van Mexico. Met de nieuwe gegevens kon het onderzoeksteam een beeld samenstellen op basis van de interferentiepatronen in het centrale gebied. Hiervoor raadpleegden ze gegevens van eerdere waarnemingen om er zeker van te zijn dat hun gegevens van Webb vrij waren van artefacten. Dit resulteerde in de eerste extragalactische waarneming van een infraroodinterferometer in de ruimte. “Door gebruik te maken van een geavanceerde beeldmodus van de camera kunnen we de resolutie over een kleiner deel van de hemel effectief verdubbelen”, aldus Sanchez-Bermudez. “Hierdoor kunnen we beelden zien die twee keer zo scherp zijn. In plaats van de diameter van 6,5 meter van Webb is het alsof we dit gebied observeren met een ruimtetelescoop van 13 meter.” Uit de gegevens bleek dat, in tegenstelling tot de modellen die voorspellen dat het infraroodoverschot afkomstig is van de uitstroom, ongeveer 87% van de infraroodemissies van heet stof in Circinus afkomstig is van de gebieden die het dichtst bij het zwarte gat liggen, terwijl minder dan 1% van de emissies afkomstig is van hete stoffige uitstroom. De resterende 12% is afkomstig van verder weg gelegen gebieden die voorheen niet van elkaar konden worden onderscheiden. “Het is de eerste keer dat een contrastrijke modus van Webb is gebruikt om naar een extragalactische bron te kijken”, aldus Julien Girard, medeauteur van het artikel en senior onderzoekswetenschapper bij het Space Telescope Science Institute. “We hopen dat ons werk andere astronomen inspireert om de Aperture Masking Interferometer-modus te gebruiken om vage, maar relatief kleine, stoffige structuren in de buurt van heldere objecten te bestuderen.”
Een universum van zwarte gaten
Hoewel het mysterie van de overmatige emissies van Circinus is opgelost, zijn er miljarden zwarte gaten in ons universum. Het team merkt op dat zwarte gaten met verschillende helderheden van invloed kunnen zijn op de vraag of de meeste emissies afkomstig zijn van de torus van een zwart gat of van hun uitstroom. “De intrinsieke helderheid van de accretieschijf van Circinus is zeer gematigd”, aldus Lopez-Rodriguez. “Het is dus logisch dat de emissies worden gedomineerd door de torus. Maar misschien worden de emissies van helderdere zwarte gaten gedomineerd door de uitstroom.” Met dit onderzoek beschikken astronomen nu over een beproefde techniek om alle zwarte gaten te onderzoeken die ze willen, zolang ze maar helder genoeg zijn om de Aperture Masking Interferometer te kunnen gebruiken. Het bestuderen van aanvullende doelwitten is essentieel voor het opstellen van een catalogus met emissiegegevens om te achterhalen of de resultaten van Circinus uniek waren of kenmerkend voor een patroon. “We hebben een statistische steekproef van zwarte gaten nodig, misschien een dozijn of twee dozijn, om te begrijpen hoe de massa in hun accretieschijven en hun uitstroom verband houden met hun kracht”, aldus Lopez-Rodriguez.
Bron: NASA
