Vroegste ‘storm’ van een zwart gat in het heelal waargenomen met ALMA

Impressie van een storm van hete snelbewegende winden door een superzwaar zwart gat veroorzaakt. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Sterrenkundigen hebben met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) radiotelescoop in Chili een ‘storm’ gezien veroorzaakt door een superzwaar zwart gat, een gigantische uitstoot van hoogenergetische wind. Opmerkelijk: de kosmische storm woedde al 13,1 miljard jaar geleden, dus in het vroege heelal (dat 13,8 miljard jaar oud is). Daarmee is deze storm de vroegste in het heelal ooit waargenomen. Het toont aan dat zo vroeg in het heelal al zeer actieve superzware zwarte gaten aan het werk waren. Takuma Izumi (National Astronomical Observatory of Japan) en z’n team bestudeerden met behulp van de grote Subaru telescoop op Hawaï sterrenstelsels in het vroege heelal en eentje daarvan was HSC J124353.93+010038.5 (hierna J1243+0100), die ze vervolgens verder bestudeerden met ALMA.

Foto van J1243+0100 gemaakt met ALMA. Gas dat met hoge snelheid door het stelsel beweegt is blauw gekleurd. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Izumi et al.

Het bleek dat J1243+0100 radiostraling uitzendt dat veroorzaakt is door stof en koolstof ionen. Er blijkt een wind van gas met hoge snelheid van wel 500 km/s door het stelsel te razen. Dat gas schuift koel waterstofgas voor zich uit en dat belemmert de verdere stervorming in J1243+0100, dat daardoor stopt met de productie van sterren. Op basis van de snelheid van het gas konden Izumi en z’n collega’s berekenen hoe zwaar het centrale gedeelte van J1243+0100 is: zo’n 30 miljard zonsmassa. De massa van het centrale zwarte gat is ongeveer 1% daarvan, dus 300 miljoen zonsmassa – altijd nog véél zwaarder dan ons superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg, dat 4,3 miljoen zonsmassa op de weegschaal telt. De gevonden verhouding tussen massa van het sterrenstelsel en dat van het centrale zwarte gat in J1243+0100 blijkt overeen te komen met die verhouding in hedendaagse sterrenstelsels, dus in de hele historie van het heelal is die verhouding kennelijk nooit veranderd. Hier het vakartikel over de waarnemingen aan deze vroegste storm in het heelal, te verschijnen op 14 juni in the Astrophysical Journal. Bron: Phys.org.

Voor het eerst een pas gevormde jet ontdekt van twee botsende sterrenstelsels

De jet die ontstaan is door de botsing van het Seyfert 1 stelsel TXS 2116-077 (rechts op de foto) en een ander spiraalstelsel, links. Credit: Vaidehi Paliya

We blijven even bij de jets, nadat we gisteren al het nieuws hadden van de kurkentrekkervormige jet, die vanuit de quasar 3C 279 wordt uitgezonden en die met de EHT was waargenomen. Met een aantal telescopen – o.a. de 8,2 meter Subarutelecoop op Hawaï – heeft men namelijk een nog zeer jonge jet weten te fotograferen, die ontstaan is door de botsing van twee sterrenstelsels, het Sefert 1 stelsel TXS 2116-077 dat botst met een spiraalstelsel. Het is voor het eerst dat men heeft waargenomen dat zo’n jet ontstaat door een botsing van sterrenstelsels, in dit geval twee spiraalstelsels. Jets bij elliptische sterrenstelsels zijn al langer gevonden, zoals de bekende jet bij M87 in Maagd, maar jets bij spiraalstelsels waren niet eerder bekend. Ellipsstelsels kunnen ontstaan als spiraalstelsels botsen en samensmelten, maar in het geval van TXS 2116-077 zijn het nog steeds twee spiraalstelsels. De jet (of straalstroom) wordt ook een ‘baby jet’ genoemd door de sterrenkundigen, want hij is nog maar pas ontsprongen vanuit het centrum van één van de twee spiraalstelsels en hij is nog niet zo lichtkrachtig zodat ‘ie de stelsels helemaal overstraalt, hetgeen bij ‘volwassen’ jets wel het geval is. Jets zijn zeer energierijk en de deeltjes in de jet kunnen met bijna de lichtsnelheid worden weggestoten. In één seconde kan zo’n jet meer energie wegstralen dat de zon in z’n hele leven uitstraalt. Jets ontstaan door superzware zwarte gaten, die in de kernen van sterrenstelsels huizen en die gas en stof aangeleverd krijgen, wat in de omringende accretieschijf terecht komt. Een deel van dat invallende materiaal verdwijnt in het zwarte gat, een ander deel wordt vanuit de rotatiepolen de ruimte ingeslingerd, versterkt door de magnetische veldlijnen. Vooral door botsingen van sterrenstelsels kan er veel gas en stof bij het zwarte gat terechtkomen en dat is nu vastgelegd bij TXS 2116-077. Men denkt dat TXS 2116-077 en het andere stelsel eerder ook al in botsing met elkaar zijn geweest en dat ’t nu de tweede keer is dat ze botsen. Hier het vakartikel over de waarnemingen aan de jonge jet, verschenen in the Astrophysical Journal. Bron: Phys.org.

1,5 Miljard jaar na de oerknal hadden de kernen van zware sterrenstelsels zich al gevormd

Credit: NAOJ

Laat ik voordat ik losbarst over levende, dode en gebluste sterrenstelsels eerst iedereen fijne feestdagen en een gelukkig en hopelijk veelal onbewolkt nieuwjaar toewensen! Dat gezegd hebbende kan ik overgaan tot het onderwerp van de blog: levende, dode en gebluste sterrenstelsels. 😀 Wat is namelijk het geval: een internationaal team van sterrenkundigen heeft onderzoek gedaan aan zeer ver verwijderde sterrenstelsels, die zich bevinden in een klein gebied aan de hemel genaamd ‘Subaru/XMM-Newton Deep Field‘. Met behulp van een instrument genaamd MOSFIRE [1]Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration, dat verbonden is aan de Keck I telescoop op Hawaï, konden ze bij een golflengte van 2 micrometer (da’s in het infrarood) opnames maken van sterrenstelsels, waarvan je er eentje op de foto’s hierboven en beneden ziet. Sterrenkundigen classificeren sterrenstelsels in drie categorieën: levend, dood en ‘geblust’ (Engels: ‘quenching’), dat wil zeggen dat ze heel veel sterren vormen en daarmee erg actief zijn, respectievelijk géén sterren meer vormen respectievelijk in een overgangsfase zitten van leven naar dood, stervend dus. In deze classificering is ons Melkwegstelsel dood, er ontstaan amper meer sterren (pakweg 2 per jaar, meer niet, bij levende sterrenstelsels kunnen dat er honderden of duizenden zijn).

Het spectrum rechtsboven van het waargenomen ‘gebluste’ sterrenstelsel, dat slechts 1,5 miljard jaar na de oerknal al bestond. Credit: NAOJ/Tanaka et al. 2019)

Met MOSFIRE kon men aan de hand van de snelheid hun sterren sterrenstelsels zien die al anderhalf miljard jaar na de oerknal geblust waren, dat wil zeggen dat er toen al sprake was van het afremmen van hun sterproductie. Dat betekend dat de kernen van zware sterrenstelsels zich toen al gevormd moeten hebben, stelsels die 12 miljard lichtjaar van ons vandaan staan. Eerder hadden de sterenkundigen kernen van zware sterrenstelsels 2,5 miljard jaar ná de oerknal waargenomen. Nu blijken de verder weg staande kernen van sterrenstelsels zich op dezelfde manier te gedragen als de kernen die dichterbij staan. Hier is het vakartikel over de waarnemingen, op 6 november 2019 verschenen in The Astrophysical Journal Letters. Bron: Subaru.

References[+]

References
1 Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration

Subaru heeft de buitenste grenzen van het Melkwegstelsel getraceerd

(Credit: Tohoku University

Japanse sterrenkundigen zijn erin geslaagd om met de Subaru telescoop op Hawaï de buitenste grenzen van het Melkwegstelsel te traceren. De Melkweg bestaat uit een schijf, waar onze zon deel van uitmaakt, en een grote bolvormige halo, waarin (voornamelijk oude) sterren en zo’n 150 bolvormige sterrenhopen in voorkomen (zie de afbeelding). De afstand van de zon tot het centrum van de Melkweg is 26.000 lichtjaar. De buitenste grenzen van de halo blijken op 520.000 lichtjaar afstand van het centrum te liggen, twintig keer de afstand zon-centrum. De omvang van de halo bepalen is een lastige taak, omdat de individuele sterren door de afstand zwak in helderheid zijn. Sterenkundigen gebruiken de zogeheten ‘blue horizontal branch’ (BHB) sterren en de RR Lyrae veranderlijke sterren als afstandsindicator en dankzij de Hyper Suprime-Cam (HSC) digitale camera verbonden aan de 8,2 meter Subaru Telescoop was men in staat die sterren in de buitenste regionen waar te nemen.

De BHB en RR Lyrae veranderlijkenn in het befaamde Herzsprung-Russel diagram. De zon behoort tot de ‘Main sequence’. Credits: Fukushima et al / SEDS.

Dankzij de spectra die men van de sterren kon maken was men in staat de BHB sterren en de RR Lyr veranderlijken te onderscheiden van objecten die erop lijken, zoals ‘blue straggler’sterren, wite dwergen, quasars en ver verwijderde sterrenstelsels. Naarmate je verder van het centrum van de Melkweg bent vindt er een geleidelijke verdunning van de sterren plaats, maar bij 520.000 lichtjaar merkten de sterrenkundigen een plotselinge scherpe daling van het aantal sterren. Dat blijkt de buitenste grens van de halo van de Melkweg te zijn (van gewone materie welteverstaan, die van donkere materie kan daar nog buiten liggen). De halo van het Andromedastelsel is iets groter, zo’n 538.000 lichtjaar. De Melkweg en het Andromedastelsel liggen zo’n 2,5 miljoen lichtjaar van elkaar verwijderd, dus de buitenste grenzen zijn pakweg 1 miljoen lichtjaar van elkaar verwijderd. Hier is het vakartikel van Fukushima et al, verschenen in de Publications of the Astronomical Society of Japan. Bron: Subaru.

Nieuw ontdekt dwergstelsel van de Melkweg – Boötes IV – en de implicaties voor het ‘Missing Satellite Problem’

Foto van Boötes IV, gemaakt met de HSC. Credits: D. Homma, M. Chiba, Y. Komiyama, et. al. / HSC

Sterrenkundigen hebben in het kader van de ‘Subaru Hyper Suprime-Cam Survey’ een nieuw dwergstelsel van de Melkweg ontdekt: Boötes IV, gelegen in het noordelijke sterrenbeeld Ossenhoeder (Boötes). De ontdekking werd gedaan met de Hyper Suprime-Cam (HSC), een 870 mega-pixel digitale camera verbonden aan de Subaru telescoop op Hawaï. Het gaat om een uiterst zwak dwergstelsel, dat bestaat uit een metaalarme, zeer oude sterpopulatie. De afstand tot Boötes IV is 209 kpc, ruim 680.000 lichtjaar. Hieronder een kaart van de hemel met daarop naast Boötes IV (het rode sterretje) ook de andere bekende dwergstelsels in de buurt van Melkweg.

Credits: D. Homma, M. Chiba, Y. Komiyama, et. al. / HSC

Op basis van het nieuw ontdekte dwergstelsel komen de onderzoekers tot de conclusie dat er in het veld dat met de HSC Survey is bestudeerd in theorie twee dwergstelsels moeten zijn, terwijl er in werkelijkheid zes dwergstelsels zijn. En daarmee lijkt het bekende ‘missing satellites problem‘ precies het omgekeerde te zijn, namelijk dat er sprake is van tevéél dwergstelsels rondom de Melkweg, zoals we eerder ook al constateerdenHier het vakartikel over de ontdekking van Boötes IV. Bron: ArXiver.

Dit zijn welgeteld 1824 supernovae, ontdekt door één instrument in korte tijd: Subaru

Credit: Michitaro Koike of NAOJ

Sterrenkundigen hebben met behulp van de Hyper Suprime-Cam, da’s een 870 mega-pixel digitale camera verbonden aan de Subaru telescoop op Hawaï, in zes maanden tijd maar liefst 1824 nieuwe supernovae ontdekt. Ding dong, meer dan 1800 supernovae in zes maanden, da’s een ongelofelijk aantal! Hierboven zie je ze allemaal op een rijtje, ienie mienie weergegeven. Op deze pagina kan je ze allemaal in meer detail bekijken en net als op de foto hieronder (waarop enkele van de 1824 supernovae te zien zijn) is dat in drie versies: links een foto van het sterrenstelsel waarin de supernova plaatsvond vóór de uitbarsting, midden een foto nádat de uitbarsting plaatsvond en rechts het verschil tussen die twee, waarop alleen de supernova te zien is.

Credit: Michitaro Koike of NAOJ

De door Hyper Suprime-Cam en Subaru waargenomen supernovae bevatten een mix aan types. Zo waren er bijvoorbeeld 433 van het type Ia, dat zijn supernovae die ontstaan als een witte dwerg door massatoevoer te zwaar wordt en een thermonucleaire uiitbarsting ondergaat. Van die 433 type Ia supernovae waren er 58 die plaatsvonden op een afstand van meer dan acht miljard lichtjaar en daarmee vormen zij een ideale manier om de uitdijingssnelheid van het heelal te bepalen. Ook vond men vijf zogeheten ‘superluminous supernovae’, dat zijn supernovae die tussen de vijf tot tien keer zo helder kunnen worden als type Ia supernovae. Hieronder een video over de supernovae.

Met de waarnemingen aan de supernovae willen de sterrenkundigen meer te weten komen over de expansiesnelheid van het heelal en daarmee over de donkere energie, de mysterieuze energie die ervoor zorgt dat het heelal versneld uitdijt. Hier het vakartikel over de waarneming van de 1824 supernovae, te verschijnen in de Publ. Astron. Soc. Japan. Bron: Subaru.

Donkere materie wordt niet gevormd door kleine oer-zwarte gaten

Voorstelling van een lenseffect van een klein oerzwart gat (Credit: Kavli IPMU).

Het was ooit (1974) een speculatie van de beroemde natuurkundige Stephen Hawking: dat donkere materie wellicht bestaat uit kleine zwarte gaten uit het allervroegste heelal, primordiale of oer-zwarte gaten, zwarte gaten die niet groter zijn dan een tiende millimeter. Maar gebruikmakend van waarnemingen gedaan met de Japanse telescoop Subaru komt een internationaal team van sterrenkundigen met een nuchtere constatering: donkere materie kan niet bestaan uit kleine oer-zwarte gaten. Het team, dat onder leiding staat van Masahiro Takada (Kavli Instituut) zocht met de Subaru naar zwaartekrachtslenzen, die veroorzaakt zouden zijn door kleine oer-zwarte gaten tussen het Andromedastelsel en de aarde. Zouden die zwarte gaten in de 2,6 miljoen lichtjaar lange baan tussen het Andromedastelsel en de aarde voorkomen, dan zou hun zwaartekrachtswerking zorgen voor plaatselijke afbuiging van de ruimte en het licht van sterren afkomstig van het Andromedastelsel zou daardoor eventjes versterkt worden (zie de afbeelding hieronder).

(Credit: Kavli IPMU)

Met de Hyper Suprime-Cam verbonden aan de Subaru Telescoop zijn alle sterren in het Andromedastelsel in één beeld vastgelegd en kunnen ze gemonitord worden op tijdelijke lichtpiekjes. Gedurende zeven uur werden waarnemingen gedaan. Berekeningen die vantevoren waren gemaakt lieten zien dat zwart gaten met de massa van de maan gedurende die waarneemtijd 1000 gebeurtenissen van zwaartekrachtslenzen zouden opleveren áls ze zo vaak voorkomen dat zij de donkere materie vormen. Het resultaat was echter maar één waargenomen gebeurtenis, welke je hieronder ziet.

Vier uur nadat Subaru begon met de waarnemingen begon één ster helderder te worden, waarbij na een uur de piek werd bereikt. Credit: Niikura et al.

Op basis hiervan komt het team tot de conclusie dat kleine oer-zwarte gaten hooguit 0,1% van de donkere materie kunnen vormen. Een conclusie die enkele maanden terug ook al kon worden gemaakt op grond van waarnemingen gedaan met de… Voyager 1 – jawel, de in 1977 (!) gelanceerde ruimteverkenner, je verwacht het niet. Op 1 april verscheen over de waarnemingen een vakartikel in Nature Astronomy. Bron: Subaru.

Sterrenkundigen ontdekken 83 superzware zwarte gaten in het vroege heelal

Credit: NAOJ.

Sterrenkundigen hebben met de Hyper Suprime-Cam (HSC) verbonden aan de Subaru telescoop op Hawaï maar liefst 83 superzware zwarte gaten in quasars in het vroege heelal ontdekt. Het heelal had toen nog geen tien procent van z’n huidige leeftijd, dat 13,8 miljard jaar is. Een voorbeeld van zo’n supermassive black hole (SMBH), zoals ze ’t in het Engels noemen, zie je hierboven, het rode stipje, 13,05 miljard lichtjaar van ons vandaan. De ontdekking van de groep SMBH’s laat zien dat het voor die tijd al gewoon was dat er superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels voorkwamen – quasars zijn sterrenstelsels met een zeer actief superzwaar zwart gat, zó actief dat het gehele sterrenstelsel erdoor wordt overstraald. Hieronder een impressie van zo’n zwart gat met een omringende accretischijf en een jet of straalstroom van heet gas naar twee tegenovergestelde kanten uit.

Credit: Yoshiki Matsuoka.

Het onderzoeksteam, dat onder leiding stond van Yoshiki Matsuoka (Ehime University), tuurt gedurende een periode van vijf jaar met die HSC naar quasars in het vroege heelal. Eerder waren er al 17 SMBH’s uit het vroege heelal bekend en met de nu gevonden 83 exemplaren komt het totaal uit op 100 van die zware jongens. Je ziet ze allemaal in de afbeelding hieronder. Dat alle quasars rood zijn komt door de roodverschuiving door het uitdijende heelal én door de absorptie van het licht op de lange weg naar de aarde toe.

Credit: NAOJ.

Op basis van deze waarnemingen komt het team van Matsuoka op een schatting dat er één superzwaar zwart gat in een kubus met zijden van 1 miljard lichtjaar voorkomt. Kennelijk kunnen zo kort na de oerknal al superzware zwarte gaten ontstaan. Deze zouden wellicht met hun activiteit een rol kunnen hebben gespeeld in de fase van reïonisatie in het heelal, toen het neutrale waterstofgas van de oerknal ioniseerde doordat de elektronen van de atoomkernen werden gescheiden onder invloed van sterke UV straling van de quasars. Bron: Subaru.

Is het de Death Star met z’n dodelijke laserstraal?

Credit: NASA, ESA, Hubble, Subaru Telescope, W. Cramer (Yale) et al., M. Yagi, J. DePasquale

Als je bovenstaande foto ziet zou je toch echt denken aan de Death Star uit Star Wars die bezig is met een dodelijke laserstraal de planeet van de opstandelingen te vernietigen. Maar niets is minder waar – de rode smalle bundel op de foto is nog energierijker en daarmee ook potentieel nóg dodelijker dan de laserstraal van de Death Star. Het is namelijk een ‘jet’ of straalstroom van heet waterstofgas, uitgestoten door het superzware zwarte gat in het centrum van het spiraalstelsel D100. Dat stelsel maakt deel uit van de Coma cluster, waar wel duizenden sterrenstelsels toe behoren. De straalstroom is zo’n 200.000 lichtjaar lang, da’s twee keer zo lang als ons Melkwegstelsel! De massa van de straalstroom is bij elkaar zo’n 400.000 keer de massa van de zon, dus je kunt wel nagaan hoe krachtig dat actieve centrale superzware zwart gat is. Nou moeten we wel toegeven dat die rode straalstroom digitaal is opgekrikt, dus het ziet er enger uit dan ’t is – hier de originele Hubble opname. De originele opnames zijn gemaakt met de Advanced Camera for Surveys van de Hubble ruimtetelescoop en de Subaru telescoop op Hawaï. Bron: APOD.

Verdeling donkere materie in kaart gebracht met Subaru’s Hyper Suprime-Cam

(Credit: HSC Project/UTokyo)

Sterrenkundigen hebben na één jaar van waarnemingen met de Hyper Suprime-Cam (HSC), verbonden aan de Japanse Subaru telescoop op Hawaï, een driedimensionale kaart kunnen maken waarop de verdeling van gewone en donkere materie te zien is. Met de HSC zijn maar liefst tien miljoen sterrenstelsels bekeken. Daarmee is donkere materie zelf niet te zien, maar wat wel zichtbaar is dat zijn de gravitationele effecten die de donkere materie op de gewone materie heeft, effecten die bekend staan als de ‘zwakke gravitatielenzen’. Door de waarnemingen heeft men een goed beeld kunnen krijgen van de mate van ‘fluctuaties’ of ‘brokkeligheid’ (Engels: lumpiness) van de donkere materie in de loop van de vele miljarden jaren van het heelal. Die brokkeligheid is met een zekerheid van 3,6% nader bepaald en het sluit aan bij andere survey’s die dit ook onderzocht hebben, zoals de Dark Energy Survey (DES).

Het verschil van HSC, DES en KIDS met de Planck resultaten kan hier worden verklaard doordat Planck naar een veel eerdere periode in het heelal keek, de periode toen de kosmische microgolf-achtergrondstraling ontstond, 380.000 jaar na de oerknal. Credit: HSC Project/UTokyo.

Er wordt wel een klein verschil geconstateerd met de resultaten van de Europese Planck missie, maar dat verschil zou verklaard kunnen worden door mogelijke statistische ruis. Mocht dat verschil géén ruis zijn, dan is er echt iets aan de hand, want dan duiden de HSC-waarnemingen op een kleinere brokkeligheid dan de Planck-waarnemingen (zie de afbeelding hieronder).

Credit: UTokyo, Image provided by Kavli IPMU Project Assistant Professor Takahiro Nishimichi.

De waarnemingen met de HSC vertellen de sterrenkundigen ook iets over de donkere energie, die er voor zorgt dat het heelal versnelt uitdijt. De waarnemingen bevestigen het ΛCDM model, het heelalmodel dat uitgaat van het bestaan van donkere energie (á la Einstein’s Kosmologische Constante Λ en Cold Dark Matter (CDM), koude, langzaam bewegende donkere materie). Hier is het vakartikel met de resultaten van het eerste jaar van de waarnemingen metr de HSC, te verschijnen in de Publications of the Astronomical Society of Japan. Bron: Subaru.