Onderzoekers die gebruikmaken van de James Webb-ruimtetelescoop van NASA/ESA/CSA hebben een actief groeiend superzwaar zwart gat bevestigd in een sterrenstelsel dat slechts 570 miljoen jaar na de oerknal is ontstaan. CANUCS-LRD-z8.6 maakt deel uit van een klasse kleine, zeer verre sterrenstelsels die astronomen voor een raadsel stellen. Het vormt een essentieel stukje van deze puzzel en daagt bestaande theorieën over de vorming van sterrenstelsels en zwarte gaten in het vroege heelal uit. De ontdekking legt een verband tussen vroege zwarte gaten en de lichtgevende quasars die we vandaag de dag waarnemen.
In de eerste drie jaar hebben Webbs onderzoeken naar het vroege heelal een toenemend aantal kleine, extreem verre en opvallend rode objecten aan het licht gebracht. Deze zogenaamde Little Red Dots (LRD's) blijven een intrigerend mysterie voor astronomen, ondanks hun onverwachte overvloed. De ontdekking in CANUCS-LRD-z8.6, mogelijk gemaakt door de uitzonderlijke capaciteiten van Webb, heeft bijgedragen aan deze zoektocht naar antwoorden. Met de Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) van Webb konden onderzoekers het zwakke licht van dit verre sterrenstelsel waarnemen en belangrijke spectrale kenmerken detecteren die wijzen op de aanwezigheid van een accreterend zwart gat. Roberta Tripodi, hoofdauteur van de studie en onderzoeker aan de Universiteit van Ljubljana FMF in Slovenië en INAF - Osservatorio Astronomico di Roma in Italië, legde uit: "Deze ontdekking is echt opmerkelijk. We hebben een sterrenstelsel waargenomen dat minder dan 600 miljoen jaar na de oerknal is ontstaan, en dat niet alleen een superzwaar zwart gat herbergt, maar dat het zwarte gat ook snel groeit, veel sneller dan we zouden verwachten in zo'n sterrenstelsel in dit vroege stadium. Dit daagt ons begrip van de vorming van zwarte gaten en sterrenstelsels in het vroege heelal uit en opent nieuwe wegen voor onderzoek naar hoe deze objecten zijn ontstaan."
Het team analyseerde het spectrum van het sterrenstelsel, dat gas liet zien dat sterk geïoniseerd was door energetische straling, en suggereerde dat het snel rond een centrale bron draaide. Deze kenmerken zijn belangrijke eigenschappen van een accreterend superzwaar zwart gat. De nauwkeurige spectrale gegevens leverden een schatting op van de massa van het zwarte gat, waaruit bleek dat het ongewoon groot was voor zo'n vroeg stadium in het heelal, en toonden aan dat CANUCS-LRD-z8.6 compact is en nog niet veel zware elementen heeft geproduceerd, een sterrenstelsel in een vroeg stadium van zijn evolutie. Deze combinatie maakt het een intrigerend onderwerp voor onderzoek.
Bovendien kon het team dankzij de Webb-spectroscopie meten hoeveel energie er bij verschillende golflengten wordt uitgezonden, waardoor ze de fysische eigenschappen van het sterrenstelsel konden karakteriseren. Zo konden ze de massa van de sterren in het sterrenstelsel bepalen en deze vergelijken met de massa van het zwarte gat. “De gegevens die we van Webb hebben ontvangen, waren absoluut cruciaal”, voegde dr. Nicholas Martis toe, een medewerker van de Universiteit van Ljubljana, FMF, die hielp bij het analyseren van het spectrum van de bron. "De spectrale kenmerken die Webb aan het licht bracht, leverden duidelijke aanwijzingen op voor een accreterend zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel, iets wat met eerdere technologie niet had kunnen worden waargenomen. Wat dit nog boeiender maakt, is dat het zwarte gat van het sterrenstelsel in vergelijking met de stellaire massa van het sterrenstelsel buitengewoon massief is. Dit suggereert dat zwarte gaten in het vroege heelal mogelijk veel sneller zijn gegroeid dan de sterrenstelsels waarin ze zich bevinden."
Astronomen hebben eerder waargenomen dat de massa van een superzwaar zwart gat en het sterrenstelsel waarin het zich bevindt, met elkaar verband houden: hoe groter een sterrenstelsel wordt, hoe groter ook het centrale zwarte gat wordt. CANUCS-LRD-z8.6 is het meest massieve gastheerstelsel dat op zo'n vroeg tijdstip bekend is, maar het centrale zwarte gat is nog massiever dan we zouden verwachten, wat in strijd is met de gebruikelijke relatie. Het resultaat suggereert dat zwarte gaten zich in het vroege heelal mogelijk in een versneld tempo hebben gevormd en zijn gaan groeien, zelfs in relatief kleine sterrenstelsels.
“Deze ontdekking is een spannende stap in het begrijpen van de vorming van de eerste superzware zwarte gaten in het heelal”, aldus prof. Maruša Bradač, leider van de groep aan de Universiteit van Ljubljana. "De onverwachte snelle groei van het zwarte gat in dit sterrenstelsel roept vragen op over de processen die ervoor hebben gezorgd dat zulke enorme objecten zo vroeg konden ontstaan. Naarmate we de gegevens verder analyseren, hopen we meer sterrenstelsels zoals CANUCS-LRD-z8.6 te vinden, die ons nog meer inzicht kunnen geven in het ontstaan van zwarte gaten en sterrenstelsels." Het team is al bezig met het plannen van aanvullende waarnemingen met de Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) en Webb om het koude gas en stof in het sterrenstelsel verder te bestuderen en hun begrip van de eigenschappen van het zwarte gat te verfijnen. Het lopende onderzoek naar dit LRD zal hopelijk antwoord geven op cruciale vragen over het vroege heelal, waaronder hoe zwarte gaten en sterrenstelsels zich in de eerste miljard jaar van de kosmische geschiedenis samen hebben ontwikkeld.
Naarmate astronomen het vroege heelal blijven verkennen met JWST, zullen er naar verwachting nog meer verrassingen aan het licht komen, waardoor een steeds gedetailleerder beeld ontstaat van hoe de eerste superzware zwarte gaten zijn gegroeid en geëvolueerd, en de weg hebben vrijgemaakt voor de vorming van de lichtgevende quasars die vandaag de dag het heelal verlichten.
Bron: ESA
