Gas rondom superzwaar zwart gat in NGC 1068 blijkt twee richtingen uit te draaien

Impressie van het gas en stof rondom het zwarte gat in NGC 1068. Rood is gas dat van ons af gaat, blauw dat naar ons toe komt. Credit: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Sterrenkundigen hebben met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in Chili iets bijzonders ontdekt: het blijkt dat het gas en stof in de buurt van het superzware zwarte gat in NGC 1068 (ook wel bekend als M77) in twee tegenovergestelde richtingen rondom het zwarte gat draaien. Mogelijk dat deze ontdekking licht werpt op het mysterie waarom al in het vroege heelal superzware zwarte gaten bestonden. NGC 1068 is een spiraalstelsel op 47 miljoen lichtjaare afstand in de richting van het sterrenbeeld Walvis (Cetus). Astronomisch gesproken is die afstand dichtbij en dat maakt het mogelijk om met instrumenten zoals ALMA met een hoog oplossend vermogen waarnemingen te verrichten. Toen Violette Impellizzeri (National Radio Astronomy Observatory – NRAO) en haar team inzoomden op het gebied rondom het superzware zwarte gat in het centrum van NGC 1068 ontdekten ze tot hun verrassing niet één, maar twee stromen van moleculair gas en stof. De accretieschijf rondom het zwarte gat blijkt een binnenste deel te hebben, dat 2 tot 4 lichtjaar groot is en dat dezelfde kant uit beweegt als de spiraalarmen van NGC 1068. En om dat binnenste deel is er een buitenste deel van 4 tot 22 lichtjaar groot, die de vorm heeft van een donut (ook wel ‘torus’ geheten) en die de andere kant uit beweegt.

De lokatie van NHC 1068 / M77 in Walvis. Credit: IAU; Sky & Telescope magazine; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Men denkt dat de oorzaak van de twee tegengestelde richtingen van het gas een botsing is geweest die NGC 1068 met een ander klein sterrenstelsel moet hebben gehad.  Het gas dat van dat stelsel afkomstig is zal vanuit een bepaalde richting zijn gekomen, niet gelijk aan de draairichting van NGC 1068, en het gas in de donut zal die richting hebben aangehouden. Een andere verklaring kan men niet bedenken.

Impressie van het gas in de twee delen rondom het zwarte gat in NGC 1068, waargenomen door ALMA. De pijlen geven de draairichting aan. De twee grijze kegels tonen een gebied waar materiaal stroomt dat door het zwarte gat is uitgespuwd, hetgeen eerder is waargenomen. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), V. Impellizzeri; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello.

Nu komen de twee delen van de accretieschijf niet in elkaars buurt en kunnen ze rustig een andere kant uit draaien. Maar na enkele rondes (na pakweg enkele honderduizenden jaren) zou het gas in de donut naar binnen kunnen vallen en dan kunnen botsen op het gas in de binnenste ring van de accretieschijf. Dan zou het zo kunnen zijn dan de gehele accretieschijf in korte tijd in het zwarte gat valt en deze sterk in massa groeit. Dat scenario zou mogelijk verklaren waarom zwarte gaten al zo vroeg in het heelal superzwaar kunnen zijn. Hier is het vakartikel van C. M. Violette Impellizzeri et. al., verschenen in the Astrophysical Journal. Bron: NRAO.

Hubble neemt schijf waar rondom superzwaar zwart gat die er helemaal niet hoort te zijn

Links een met Hubble gemaakte foto van NGC 3147, rechts een impressie van de schijf rondom het zwarte gat. Credits: Hubble Image: NASA, ESA, S. Bianchi (Università degli Studi Roma Tre University), A. Laor (Technion-Israel Institute of Technology), and M. Chiaberge (ESA, STScI, and JHU); illustration: NASA, ESA, and A. Feild and L. Hustak (STScI)

Met behulp van de Hubble ruimtetelescoop zijn sterrenkundigen erin geslaagd om vlakbij het superzware zwarte gat in het centrum van het spiraalstelsel NGC 3147 een snel roterende platte schijf waar te nemen. Op zich iets wat je verwacht bij een superzwaar zwart gat dat continu gevoed wordt met invallend materiaal, dat zich verzamelt in een accretieschijf en daar tot zeer hoge temperaturen verhit wordt. Maar het zwarte gat in NGC 3147, dat 250 miljoen keer zo zwaar als de zon is, wordt helemaal niet continu gevoed, het staat min of meer ‘droog’. En bij dat soort ondervoedde zwarte gaten, die een lage lichtkracht hebben, verwacht men eerder een donutachtige wolk, van opgeblazen gas en stof (zoals het voorbeeld in NGC 1068), dan zo’n platte accretieschijf. En dan toch die smalle schijf vlakbij het centrale zwarte gat in NGC 3147, dat op 130 miljoen lichtjaar afstand staat in de richting van het sterrenbeeld Draak.

Impressie van de smalle schijf rondom het zwarte gat in NGC 3147. Credit:
ESA/Hubble, M. Kornmesser

Op grond van de waarnemingen met het Hubble Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) instrument aan boord van Hubble heeft men kunnen bepalen dat het materiaal in de schijf rondom het zwarte gat met 10% van de lichtsnelheid ronddraait. Aan één kant van de schijf is de lichtkracht sterker dan aan de andere kant, iets dat verklaard kan worden met een verschijnsel dat ‘relativistic beaming‘ heet, als het materiaal aan de lichte kant naar de aarde wijst en aan de ‘donkere’ kant van de aarde af wijst. Dat verschijnsel kan worden voorspeld aan de hand van Einstein’s Speciale Relativiteitstheorie (SRT) uit 1905. En daarmee zijn er twee relativiteitstheorieën van Einstein van kracht in NGC 3147, niet alleen die SRT, maar ook de Algemene Relativiteitstheorie (ART) uit 1915, waarmee het zwarte gat zelf en de kromming van de ruimte er om heen verklaard kunnen worden.

Impressie van een bovenaanzicht van de schijf.

De sterrenkundigen hopen door waarnemingen aan meer schijven rondom ‘low luminosity’ zwarte gaten zoals in NGC 3147 te kunnen ontdekken waarom deze toch zo’n platte schijf hebben en niet de verwachtte donut van opgeblazen gas. Hier het vakartikel over de ontdekking van de schijf, te verschijnen in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: NASA.

Stoffige donut rondom superzwaar zwart gat in NGC 1068 waargenomen door ALMA

Impressie van een donutachtige stofwolk rondom een superzwaar zwart gat (credit: NASA/JPL-Caltech)

Sterrenkundigen zijn er in geslaagd om voor het eerst de uit stof bestaande donutachtige wolk rondom het superzware zwarte gat in het nabije sterrenstelsel M77/NGC 1068 met behulp van de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) te fotograferen. Dergelijke zwarte gaten vinden we in alle kernen van sterrenstelsels en de meesten zijn omgeven door een hete, snel roterende accretieschijf van gas. In sommige sterrenstelsels bevindt zich rondom die schijf van gas een donkere wolk van stof, die op een donut lijkt en die een ‘torus’ wordt genoemd. M77 alias NGC 1068, een zogeheten Seyfert 2 sterrenstelsel op 50 miljoen lichtjaar afstand, bevat een centraal zwart gat met zo’n torus, een gebied waar eerder al complexe moleculen zijn aangetroffen. Vanaf de aarde gezien is die torus zéér klein, nog geen tienduizendste van de schijnbare diameter van de maan, maar toch heeft men ‘m met de 35 radioschotels van ALMA in de Atacama woestijn in Chili voor het eerst kunnen waarnemen.

De met ALMA waargenomen torus van stof in NGC 1068. AGN=Active galactic nucleus, de plek van het zwarte gat. (credit: Santiago Garcia-Burillo et al).

Door waarnemingen zoals deze hoopt men een beter beeld te kunnen krijgen hoe zwarte gaten zoals deze in staat zijn hun massa van miljoenen of soms miljarden zonsmassa te verkrijgen. Hier het vakartikel over de waarneming. Bron: New Scientist.

Quasars lichtzwak in röntgen- en UV-straling bevatten mogelijk zeer gulzige superzware zwarte gaten

Credit: X-ray: NASA/CXC/Penn State/B.Luo et al.; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

Sterrenkundigen hebben met behulp van de Chandra röntgenruimtetelescoop van de NASA waarnemingen verricht aan 51 quasars, die zich mogelijk onderscheiden van ‘normale’ quasars doordat ze een superzwaar zwart gat in hun centrum herbergen dat zeer gulzig is, dat wil zeggen dat in zeer hoog tempo groeit door het aantrekken van materie uit de omgeving. Quasars zijn zeer ver weg staande sterrenstelsels, waarvan we op aarde in de meeste gevallen alleen een heldere puntbron zien, de actieve kern rondom het zwarte gat. De 51 onderzochte quasars liggen tussen 5 en 11,5 miljard lichtjaar van de aarde en ze onderscheiden zich op twee manieren van andere quasars: in ultraviolet licht bekeken bevatten ze van sommige elementen minder straling, met name bij koolstof, én van 65% van de quasars bleek ook de röntgenstraling veel zwakker te zijn, wel 40 keer zwakker dan van andere quasars. De röntgenstraling van drie van de 51 onderzochte quasars zie je hieronder, gefotografeerd met Chandra.

Credit: X-ray: NASA/CXC/Penn State/B.Luo et al.; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss

Men denkt dat wat men bestudeerd heeft een nieuwe populatie van quasars is, die zich onderscheiden van de anderen doordat ze een zeer gulzig superzwaar zwart gat in hun centrum hebben. Normaal worden die zwarte gaten, die miljoenen tot zelfs miljarden keer zo zwaar als de zon kunnen worden, omgeven door een platte, snel ronddraaiende accretieschijf, van waaruit röntgenstraling wordt uitgezonden. Maar deze zwarte gaten krijgen zoveel materiaal aangeleverd, dat er zich vermoedelijk een opgezwollen accretieschijf omheen bevindt, die de vorm van een donut of torus heeft (zie illustratie bovenaan de blog). Zo’n donutring zou dan de röntgenstraling en UV-straling van het gebied direct om het zwarte gat tegenhouden en daarom zien we vanaf de aarde quasars met geringe emissie van bepaalde elementen in UV-straling en weinig röntgenstraling. Men denkt dat dergelijke snelgroeiende zwarte gaten in het vroege heelal veel vaker voorkwamen dan nu. Hier het vakartikel van de sterrenkundigen over het onderzoek, binnenkort te publiceren in The Astrophysical Journal.

Bron: Chandra.