Met behulp van gegevens van NASA's JWST en Chandra X-ray Observatory heeft een team van NOIRLab-astronomen van de Amerikaanse National Science Foundation in het centrum van een sterrenstelsel slechts 1,5 miljard jaar na de oerknal een superzwaar zwart gat ontdekt dat in een fenomenaal tempo materie opeet, meer dan 40 keer de theoretische limiet.
Hoewel het maar van korte duur is, kan het 'feestmaal' van dit zwarte gat astronomen helpen verklaren hoe superzware zwarte gaten zo snel groeiden in het vroege heelal. Superzware zwarte gaten bevinden zich in het centrum van de meeste sterrenstelsels en moderne telescopen blijven ze waarnemen op verrassend vroege momenten in de evolutie van het heelal. Het is moeilijk te begrijpen hoe deze zwarte gaten zo snel zo groot konden worden. Maar met de ontdekking van een supermassief zwart gat met een lage massa dat zich met een extreme snelheid tegoed doet aan materie, slechts 1,5 miljard jaar na de oerknal, hebben astronomen nu waardevolle nieuwe inzichten in de mechanismen van snel groeiende zwarte gaten in het vroege heelal.
LID-568 werd ontdekt door een interinstitutioneel team van astronomen onder leiding van International Gemini Observatory/NSF NOIRLab astronoom Hyewon Suh. Ze gebruikten de James Webb Space Telescope (JWST) om een aantal sterrenstelsels te observeren uit het COSMOS-onderzoek van het Chandra X-ray Observatory. Deze populatie van sterrenstelsels is zeer helder in het röntgengedeelte van het spectrum, maar is onzichtbaar in het optische en nabij-infrarood. Dankzij de unieke infraroodgevoeligheid van JWST kan deze zwakke tegenhanger worden gedetecteerd.
LID-568 viel binnen het monster op door zijn intense röntgenstraling, maar zijn exacte positie kon niet worden bepaald op basis van de röntgenwaarnemingen alleen, waardoor er bezorgdheid ontstond over de juiste centrering van het doelwit in het beeldveld van JWST. In plaats van de traditionele spleet-spectroscopie te gebruiken, stelden de wetenschappers van de instrumentatieondersteuning van JWST het team van Suh voor om de integrale veldspectrograaf op de NIRSpec van JWST te gebruiken. Dit instrument kan een spectrum verkrijgen voor elke pixel in het gezichtsveld van het instrument in plaats van beperkt te zijn tot een klein stukje. "Vanwege zijn zwakke karakter zou de detectie van LID-568 onmogelijk zijn zonder JWST. Het gebruik van de integraalveldspectrograaf was innovatief en noodzakelijk voor het verkrijgen van onze waarneming, “ zegt Emanuele Farina, astronoom van International Gemini Observatory/NSF NOIRLab en co-auteur van het artikel dat in Nature Astronomy verschijnt.
Dankzij de NIRSpec van JWST kreeg het team een volledig beeld van hun doelwit en het omringende gebied, wat leidde tot de onverwachte ontdekking van krachtige uitstromen van gas rond het centrale zwarte gat. De snelheid en grootte van deze uitstromen leidden het team tot de conclusie dat een aanzienlijk deel van de massagroei van LID-568 in één enkele episode van snelle accretie kan hebben plaatsgevonden. “Dit toevallige resultaat voegde een nieuwe dimensie toe aan ons begrip van het systeem en opende spannende wegen voor onderzoek, “ aldus Suh. Suh en haar team deden een verbluffende ontdekking: LID-568 lijkt zich met een snelheid van 40 keer de Eddington-limiet te voeden met materie. Deze limiet heeft betrekking op de maximale helderheid die een zwart gat kan bereiken en op de snelheid waarmee het materie kan absorberen, zodat zijn inwaartse zwaartekracht en de uitwaartse druk die wordt opgewekt door de hitte van de samengeperste, instortende materie in evenwicht blijven. Toen de helderheid van LID-568 zoveel hoger werd berekend dan theoretisch mogelijk was, wist het team dat ze iets opmerkelijks in hun gegevens hadden.
"Dit zwarte gat is aan het smullen, ” zegt International Gemini Observatory/NSF NOIRLab astronoom en co-auteur Julia Scharwächter. “Dit extreme geval laat zien dat een snelvoedend mechanisme boven de Eddington-limiet een van de mogelijke verklaringen is voor waarom we deze zeer zware zwarte gaten zo vroeg in het heelal zien.” Deze resultaten bieden nieuwe inzichten in de vorming van superzware zwarte gaten uit kleinere 'zaden' van zwarte gaten, die volgens de huidige theorieën ontstaan uit de dood van de eerste sterren in het heelal (lichte zaden) of de directe ineenstorting van gaswolken (zware zaden). Tot nu toe werden deze theorieën niet door waarnemingen bevestigd. “De ontdekking van een super-Eddington-zwart gat suggereert dat een aanzienlijk deel van de massagroei kan plaatsvinden tijdens een enkele episode van snelle voeding, ongeacht of het zwarte gat is ontstaan uit een licht of zwaar zaadje, “ zegt Suh. De ontdekking van LID-568 laat ook zien dat het mogelijk is dat een zwart gat zijn Eddington-limiet overschrijdt en biedt astronomen de eerste kans om te bestuderen hoe dit gebeurt. Het is mogelijk dat de krachtige uitstroom die in LID-568 is waargenomen, fungeert als een uitlaatklep voor de overtollige energie die door de extreme accretie wordt gegenereerd, waardoor wordt voorkomen dat het systeem te instabiel wordt. Om de mechanismen die hierbij een rol spelen verder te onderzoeken, plant het team vervolgwaarnemingen met JWST.
NSF NOIRLab (U.S. National Science Foundation National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory), het Amerikaanse centrum voor optische-infraroodsterrenkunde op de grond, beheert het International Gemini Observatory (een faciliteit van NSF, NRC-Canada, ANID-Chili, MCTIC-Brazilië, MINCyT-Argentinië en KASI-Republiek Korea), Kitt Peak National Observatory (KPNO), Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), het Community Science and Data Center (CSDC), en Vera C. Rubin Observatory (beheerd in samenwerking met het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy). Het wordt beheerd door de Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) onder een samenwerkingsovereenkomst met NSF en heeft zijn hoofdkwartier in Tucson, Arizona. De astronomische gemeenschap is vereerd dat ze de kans krijgt om astronomisch onderzoek uit te voeren op I'oligam Du'ag (Kitt Peak) in Arizona, op Maunakea in Hawaï en op Cerro Tololo en Cerro Pachón in Chili. We erkennen de zeer belangrijke culturele rol en eerbied die deze plaatsen hebben voor respectievelijk de Tohono O'odham Nation, de Hawaïaanse gemeenschap en de lokale gemeenschappen in Chili.
Bron: NOIRLab
