Een ongekend groot onderzoek met Europa’s Euclid ruimtetelescoop bewijst dat botsingen tussen sterrenstelsels de belangrijkste trigger zijn om superzware zwarte gaten te ‘activeren’. Deze kosmische monsters gaan daardoor feller schijnen dan alle sterren in hun sterrenstelsel bij elkaar.
Astronomen debatteren al decennia over de vraag wat de meest energierijke fenomenen in de kosmos aanwakkert: actieve superzware zwarte gaten in de kernen van sterrenstelsels. Is het een botsing met een ander sterrenstelsel, of spelen andere, meer geleidelijke processen de hoofdrol? Dankzij een ongekend grote dataset van maar liefst een miljoen geobserveerde sterrenstelsels, verzameld door ESA’s Euclid ruimtelescoop, is er nu een helder antwoord. Het onderzoek, geleid door wetenschappers van onder meer het Nederlandse instituut voor ruimteonderzoek (SRON), toont aan dat het samensmelten van sterrenstelsels niet zozeer een factor is, maar zelfs de enige plausibele oorzaak lijkt voor de helderste exemplaren die worden gezien.
Het grote kosmische debat
Bijna elk groot sterrenstelsel herbergt een superzwaar zwart gat in zijn centrum. De meeste sluimeren rustig, maar een klein deel is extreem actief en straalt enorm veel energie uit; een zogeheten actieve galactische nucleus (AGN). De hypothese was dat een botsing tussen sterrenstelsels de turbulentie creëert die nodig is om enorme hoeveelheden gas naar het centrale zwarte gat te sturen. Het gas belandt in een gloeiendhete accretieschijf voordat het wordt opgeslokt, en die schijf kan zo fel oplichten dat hij het hele sterrenstelsel overmand in uitgezonden straling. Het gebrek aan grote, hoogwaardige datasets maakte het tot nu toe echter lastig om dit hard te maken.
De doorbraak van Euclid en AI
De lancering van de Euclid ruimtelescoop veranderde alles. Waar de Hubble ruimtetelescoop drie decennia nodig voor zou hebben, doet Euclid zoiets in een week: een enorm gebied van de hemel scannen met een nog hogere beeldkwaliteit. Om de miljoenen waargenomen sterrenstelsels te kunnen analyseren, ontwikkelde het consortium een geavanceerde AI-tool. Deze tool, getraind op gesimuleerde data, kan niet alleen actieve galactische nuclei identificeren, maar ook precies meten welk deel van het licht van het heldere centrale punt komt en welk deel van het sterrenstelsel zelf.
(tekst gaat verder onder video)
Een twee- tot zesmaal zo grote kans
Het team paste de AI-tool toe op een miljoen sterrenstelsels en verdeelden ze in twee groepen: samensmeltende sterrenstelsels enerzijds, individuele, niet samensmeltende sterrenstelsels anderzijds. De conclusie was glashelder: “We zien dat de eerste groep twee tot zelfs zes keer zoveel AGN’s bevatten als de tweede groep,” aldus één van de hoofdonderzoekers Antonio la Marca. Voor de allerhelderste actieve galactische centra gold dat de overgrote meerderheid zich bevond in botsende sterrenstelsels. “We concluderen dat botsingen zeer waarschijnlijk het enige mechanisme zijn dat de helderste AGN’s kan voeden. Ze zijn op zijn minst de belangrijkste trigger.”
De mate van activiteit hangt samen met de fase waarin de botsing tussen stelsels zich bevindt. Bij verse, stoffige botsingen, waar een AGN alleen in infraroodlicht zichtbaar is, zagen de onderzoekers zesmaal zoveel activiteit in de kernregio van stelsels. Bij inmiddels bijna voltooide samensmeltingen tussen stelsels waar het stof is dan meestal al is weggeblazen, was dit minder, maar nog altijd sprake van een verdubbeling ten opzichte van stelsels zonder enige samensmeltingshistorie.
De rol van stof en de groei van kosmische reuzen
De twee nieuwe studies, gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics, belichten het mechanisme vanuit verschillende invalshoeken. Het onderzoek onder leiding van Antonio la Marca bevestigt niet alleen dat samensmeltende sterrenstelsels tot zesmaal vaker een AGN bevatten, maar laat ook een duidelijke trend zien in hun kracht: hoe dominanter en helderder het actieve zwarte gat is ten opzichte van zijn gaststerrenstelsel, hoe groter de kans dat het sterrenstelsel een botsing ondergaat. Voor de allerhelderste categorie bevindt bijna elke actieve galactische nucleus zich in een samensmeltend stelsel. Dit bewijst dat deze kosmische reuzen voor hun extreme groeispurt bijna volledig afhankelijk zijn van de chaotische gasaanvoer tijdens een galactische crash.
De tweede studie, onder leiding van Berta Margalef-Bentabol, onthult met behulp van een geavanceerde deep learning techniek een verborgen populatie van AGN’s. Door het aandeel van het puntvormige AGN-licht nauwkeurig te meten – dus het centrum van een stelsel ten opzichte van de resterende schijf waaruit het stelsel bestaat – vond het team dat bijna 8% van alle massieve sterrenstelsels een waarneembare actieve kern heeft, een percentage dat stijgt tot 26% als ook minder dominant actieve nuclei stelsels worden meegerekend. Deze methode laat bovendien zien dat de AGN’s in rustigere, uitdovende sterrenstelsels gemiddeld een grotere relatieve bijdrage aan het totale licht leveren. Daarentegen worden de absoluut meest heldere stelselnuclei juist aangetroffen in de meest actieve, stervormende stelsels. Dit wijst erop dat de groeispurt van het zwarte gat en de stellaire babyboom in het gaststelsel vaak gelijktijdig plaatsvinden, gedreven door hetzelfde aanvoerkanaal van gas.
Een blik op de verre toekomst van de Melkweg
Deze bevindingen roepen een fascinerende vraag op voor ons thuissterrenstelsel. Over ongeveer 4,5 miljard jaar botst de Melkweg met het Andromedastelsel. Wat betekent de nieuwe kennis voor dat toekomstige schouwspel? Scientias legde deze vraag voor aan SRON-onderzoeker Lingyu Wang, mede auteur van de studies.
“Wanneer de Melkweg en Andromeda samensmelten, noemen we dat een ‘major merger’,” antwoordt Wang. “Volgens het huidige beeld zullen de superzware zwarte gaten dan een korte periode – in kosmische termen – van actieve groei doormaken, dankzij verse gasvoorraden die naar de kernregio worden getransporteerd.” Deze snelle groeifase zou volgens Wang aanvankelijk verborgen kunnen gaan onder een dikke stofsluier, die honderdduizenden tot miljoenen jaren kan voortduren. Daarna kan een uitblaas fase volgen, waarbij het actieve zwarte gat enorme hoeveelheden energie in zijn omgeving injecteert en het gas en stof wegblaast. “Tijdens de actieve groeifase kan de lichtkracht van het zwarte gat alle sterren van het sterrenstelsel zelf overstralen,” voorspelt Wang. Uiteindelijk kunnen ook de twee zwarte gaten zelf samensmelten.
Slot
Met deze grootschalige analyse komt er een einde aan een lang wetenschappelijk debat. Botsingen tussen sterrenstelsels zijn niet zomaar een van de mogelijke triggers – voor de krachtigste kosmische motoren van sterrenstelsels zijn ze de voornaamste, zo niet de enige aanjager van dit effect. Het onderzoek markeert niet alleen een mijlpaal in ons begrip van de evolutie van sterrenstelsels, maar schetst ook een spectaculair toekomstbeeld voor ons eigen galactische thuis.
