Astronomen ontdekken de grootste zwarte gatstralen die ooit zijn waargenomen

Meld u aan voor de wetenschapsnieuwsbrief Wonder Theory van CNN. Ontdek het heelal met nieuws over fascinerende ontdekkingen, wetenschappelijke ontwikkelingen en meer.

CNN
—

Astronomen hebben een enorm paar jets waargenomen die vrijkomen uit een superzwaar zwart gat op 7,5 miljard lichtjaar van de aarde. De megastructuur beslaat 23 miljoen lichtjaar in lengte, wat deze zwarte gat-jets de grootste ooit gezien maakt, volgens nieuw onderzoek.

Zwarte gaten worden gezien als de afvalverwerkingsinstallaties van het heelal, die bijna alles opslokken wat in hun buurt komt. Maar een fractie van het materiaal wordt uitgestoten voordat een object erin valt, waardoor er een straalstroom aan beide kanten van het zwarte gat ontstaat, aldus Martijn Oei, een postdoctoraal onderzoeker aan het California Institute of Technology en de hoofdauteur van een nieuwe studie die de ontdekking beschrijft.

De bevindingen werden op 18 september gepubliceerd in het tijdschrift Natuur.

Jets van zwarte gaten kunnen straling en deeltjes versnellen die dicht bij de lichtsnelheid liggen, waardoor ze gloeien in golflengtes die zichtbaar zijn voor radiotelescopen. Zo’n gloed trok de aandacht van astronomen achter de nieuwe studie toen ze in 2018 de hemel in kaart brachten met de Europese LOFAR- of LOw Frequency ARray-radiotelescoop.

De nieuw beschreven straalstromen hebben een vermogen dat gelijk is aan dat van biljoenen zonnen en zijn zo groot dat onderzoekers de megastructuur Porphyrion hebben genoemd, naar een reus uit de Griekse mythologie.

Deze ontdekking zorgt ervoor dat astronomen opnieuw nadenken over hoe groot de stralen van zwarte gaten kunnen zijn en hoe deze gigantische structuren hun omgeving en de structuur van het heelal kunnen beïnvloeden.

“Dit paar is niet alleen zo groot als een zonnestelsel of een Melkweg; we hebben het over 140 Melkwegdiameters in totaal,” zei Oei. “De Melkweg zou een klein stipje zijn in deze twee gigantische uitbarstingen.”

In eerste instantie zochten de onderzoekers met behulp van LOFAR naar iets anders: de dunne filamenten van het kosmische web.

Het kosmische web is de grootschalige structuur van het heelal, een netwerk van materie dat de hele ruimte tussen sterrenstelsels doordringt, aldus Oei.

Maar tijdens hun pogingen om het kosmische web te observeren, ontdekte het team grote jets die uit sterrenstelsels kwamen. In totaal ontdekte het team 10.000 nieuwe jetparen van zwarte gaten. Een artikel waarin de paren worden beschreven, is geaccepteerd voor publicatie in een ander tijdschrift, Astronomy & Astrophysics.

“Toen we de gigantische jets voor het eerst vonden, waren we behoorlijk verrast,” zei Oei. “We hadden geen idee dat er zoveel waren.”

Superzware zwarte gaten bevinden zich in de centra van grote sterrenstelsels. De observaties van het team benadrukten dat een toenemend aantal sterrenstelsels zwarte gatjets hebben die ver buiten hun grenzen reiken, zei Oei.

Een onderzoeker uit een ander vakgebied, medeauteur van de studie Aivin Gast, ontdekte als eerste het grootste paar straalvliegtuigen.

Gast was destijds een undergraduate student die klassieke archeologie en oude geschiedenis studeerde aan de Universiteit van Oxford. Maar vanwege de pandemie lag zijn belangrijkste academische werk stil, dus bood hij aan om Oei te helpen met een visuele inspectie van de radiobeelden die door LOFAR waren vastgelegd.

“Nadat we Porphyrion hadden gevonden, waren we allebei erg enthousiast en nadat we erover hadden gesproken, voelde ik de sensatie van het zien en samen ontdekken van iets speciaals dat nog nooit iemand had gewaardeerd”, aldus Oei via e-mail.

Toen het team eenmaal had bevestigd in welk sterrenstelsel de jets vandaan kwamen, “maakte Aivin gebruik van zijn klassieke achtergrond en stelde voor om het systeem de prachtige naam ‘Porphyrion’ te geven, die het nu draagt,” voegde Oei toe.

Vóór de LOFAR-waarnemingen werd gedacht dat grote jetsystemen zeldzaam waren en dat ze kleiner van formaat zouden zijn. Voordat Porphyrion werd ontdekt, was het grootste bevestigde jetsysteem van een zwart gat Alcyoneus.

Hetzelfde team ontdekte in 2022 Alcyoneus, eveneens vernoemd naar een mythische Griekse reus. Dit straalsysteem staat gelijk aan ongeveer 100 Melkwegstelsels.

De Melkweg wordt geschat op een diameter van 100.000 lichtjaar. Eén lichtjaar is de afstand die licht in één jaar aflegtdat is 5,88 biljoen mijl (9,46 biljoen kilometer).

Maar de auteurs van het onderzoek hanteerden een bredere benadering en gingen ervan uit dat de Melkweg 163.078 lichtjaren in doorsnede is, wat alle sterren en onzichtbare materie in het sterrenstelsel verklaart, aldus Oei.

Ze kwamen tot de conclusie dat Porphyrion gelijk staat aan 140 keer de diameter van de Melkweg.

De auteurs zijn ervan overtuigd dat het mogelijk is om jets te vinden die groter zijn dan Porphyrion, naarmate de technologie van radiotelescopen verbetert.

Om meer details over de oorsprong van de jets te ontdekken, voerde het team vervolgobservaties uit met behulp van de Giant Metrewave Radio Telescope in India en het WM Keck Observatory in Hawaii. De observaties wezen op een verafgelegen sterrenstelsel dat ongeveer 10 keer zo groot was als de Melkweg.

Uit de door het Keck Observatory verzamelde gegevens bleek ook dat de structuren afkomstig waren van een actief zwart gat met een stralingsmodus, in plaats van het type waarvan bekend is dat het grotere stralen produceert. Dit verraste de onderzoekers.

Naarmate superzware zwarte gaten actief worden, verhit hun zwaartekracht het omringende materiaal, wat energie vrijgeeft in de vorm van straling of jets. Volgens de onderzoekers komen zwarte gaten in de stralingsmodus vaker voor in het verre heelal, terwijl zwarte gaten in de jetmodus vaker voorkomen in het nabije heelal.

“Ons onderzoek suggereert dat actieve zwarte gaten in de stralingsmodus net zo goed in staat zijn om gigantische jets te genereren als actieve zwarte gaten in de straalmodus in het nabije heelal”, aldus Oei in een e-mail. “We komen erachter dat gigantische jets een eeuwenoud fenomeen kunnen zijn: we weten nu dat ze al het grootste deel van het leven in het heelal bestaan. Ons LOFAR-onderzoek besloeg slechts 15 procent van de hemel. En de meeste van deze gigantische jets zijn waarschijnlijk moeilijk te vinden, dus we geloven dat er nog veel meer van deze giganten zijn.”

Door te begrijpen hoe lang de stralen van gigantische zwarte gaten al bestaan ​​in de 13,8 miljard jaar dat het heelal bestaat, kunnen astronomen achterhalen welke invloed de stralen hebben op hun omgeving.

Twee grote vragen waar astronomen mee te maken hebben, zijn hoe het heelal gemagnetiseerd raakte en hoe de grootschalige structuren van het kosmische web die tussen sterrenstelsels liggen, ontstonden. De enorme jets van zwarte gaten kunnen helpen bij het beantwoorden van beide vragen.

Volgens de auteurs van het onderzoek kunnen krachtige stralen van zwarte gaten, als ze miljoenen jaren aanhouden, de materiestroom door de intergalactische ruimte beïnvloeden door geladen deeltjes en magnetische velden door de ruimte vrij te geven.

“Wanneer de jets de intergalactische ruimte bereiken, denken we dat ze een grote invloed hebben op het verwarmen van de (ruimte) tussen sterrenstelsels en op het magnetiseren ervan,” zei Oei. “Een van de onverwachte realisaties van het vinden van dit gigantische jetsysteem is dat zwarte gat-jets de omvang van het kosmische web kunnen bereiken. Ze zijn zo groot dat ze in principe overal kunnen komen.”

Uit het onderzoek van het team blijkt dat Porphyrion de omgeving in de intergalactische ruimte met ongeveer 1 miljoen graden kon verwarmen.

“Als die verhitting vroeg genoeg in de kosmische tijd plaatsvond,” zei Oei, “kan het de vorming van sterrenstelsels hebben vertraagd, die relatief koud intergalactisch plasma of gas nodig hebben om in te storten en te vormen.”

Het team onderzoekt nog steeds hoe de jets van zwarte gaten zich zo ver buiten hun eigen sterrenstelsel kunnen uitstrekken zonder instabiel te worden.

“Martijns werk heeft ons laten zien dat er niets bijzonders is aan de omgeving van deze gigantische bronnen waardoor ze zulke grote afmetingen bereiken”, aldus medeauteur van de studie Martin Hardcastle, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Hertfordshire in Engeland, in een verklaring.

Het onderzoek onthult een opwindende ontdekking, een ‘fossielenbestand’ van de activiteit van superzware zwarte gaten dat kan laten zien hoe de jets en zwarte gaten in de loop van de tijd zijn geëvolueerd, aldus Sasha Tchekhovskoy, universitair hoofddocent aan de afdeling natuurkunde en astronomie van de Northwestern University.

“De opmerkelijke levensduur van de jets kan ons ook helpen om de fysieke modellen van jets te testen, met name hun stabiliteit in het licht van de kleine kans dat ze zich met succes een weg door de (intergalactische ruimte) boren”, aldus Tchekhovskoy, die niet betrokken was bij de nieuwe studie.

Porphyrion heeft mogelijk ook zijn lokale omgeving gemagnetiseerd, en Oei wil begrijpen hoe enorme jets magnetisme door het kosmische web kunnen verspreiden. De oorsprong van magnetisme is cruciaal omdat magnetische velden, zoals die rond de aarde, een atmosfeer die leven in stand houdt, kunnen beschermen en afschermen.

“Het magnetisme op onze planeet zorgt ervoor dat leven kan gedijen, dus we willen begrijpen hoe het is ontstaan,” zei Oei. “We weten dat magnetisme het kosmische web doordringt, vervolgens zijn weg vindt naar sterrenstelsels en sterren, en uiteindelijk naar planeten, maar de vraag is: waar begint het? Hebben deze gigantische jets magnetisme door de kosmos verspreid?”