Astronomen vermoeden al langer dat gas dat eerder bij een superzwaar zwart gat is verwarmd en vervolgens naar de buitenste regionen van het sterrenstelsel is gestroomd en afgekoeld, ook weer naar dat zwarte gat kan terugkeren. Maar die terugkeer hadden ze nog nooit waargenomen en bleef dus onbewezen. Tot nu.
Drie sterrenkundigen uit Nederland hebben namelijk – eigenlijk per ongeluk – in het iconische sterrenstelsel NGC 1275 afgekoeld koolmonoxidegas ontdekt dat naar het centrale superzware zwarte gat beweegt. Dat is te lezen in het blad Nature Astronomy. De bevindingen zijn gebaseerd op oude metingen van het ALMA-observatorium.
Per ongeluk
De onderzoekers waren er eigenlijk helemaal niet op uit om het laatste stukje van de gaskringloop van een zwart gat aan te tonen, zo vertelt hoofdonderzoeker Tom Oosterloo aan Scientias.nl. “In zekere zin kwamen we bij toeval bij deze metingen terecht. We waren bezig met een andere studie aan NGC 1275 – aan de hand van waarnemingen met een andere telescoop – en gingen door de literatuur om te zien wat anderen over NGC 1275 geschreven hadden. Zo zagen we dat een Japans team in 2019 NGC 1275 met behulp van ALMA hadden waargenomen, maar dat de kwaliteit van de beelden niet goed was; er zaten sterke verstoringen in. Hierdoor kon je aan de hand van hun beelden niet zien wat er gebeurt in NGC 1275. Door een andere manier van kalibreren van de gegevens konden we de kwaliteit van de ALMA-beelden sterk verbeteren en ging er dus een hele wereld voor ons open.”
Scherp
Oosterloo en collega’s slaagden er namelijk in om de gebieden rond het zwarte gat drie keer zo scherp in beeld te krijgen. “En toen zagen we dus het koele koolmonoxidegas terugstromen.” En daarmee was de cirkel – als het om de gaskringloop van een zwart gat gaat – weer rond. En dat is best bijzonder. “NGC 1275 is een heel bekend sterrenstelsel en er wordt al decennialang onderzoek gedaan aan de activiteit van het zwarte gat in NGC 1275 en wat de effecten zijn van het actieve zwarte gat op de evolutie van het sterrenstelsel. Door al die studies is er in de loop van de jaren een redelijk beeld ontstaan van hoe de kringloop van activiteit in NGC 1275 zou moeten werken. Er miste, wat waarnemingen betreft, nog 1 puzzelstukje en onze studie heeft nu dat laatste stukje aangeleverd en het model bevestigd. Het klopt dus.”
De kringloop
Astronomen vermoeden namelijk al veel langer dat superzware zwarte gaten in het algemeen en het zwarte gat in NGC 1275 in het bijzonder een gaskringloop kennen. Daarbij wordt gas nabij het zwarte gat eerst verwarmd en vervolgens naar de buitenste regionen van het sterrenstelsel getransporteerd, waar het afkoelt. “Een zwart gat trekt natuurlijk alle materie dat zich in de buurt bevindt, naar zich toe,” legt Oosterloo aan Scientias.nl uit. “De manier waarop deze materie naar het zwarte gat valt, is – met enige fantasie – te vergelijken met hoe water de afvoer van een wastafel instroomt. Voordat het water de afvoer in gaat, draait het water rond de afvoer; het stroomt er niet rechtstreeks naar toe. De materie die naar het zwarte gat stroomt, draait ook eerst rond en vormt op die manier een ronddraaiende schijf van heet gas rond het zwarte gat. Vanuit die schijf valt langzaam materie in het zwarte gat. Door onderlinge botsingen van de gaswolken (wrijving) in die roterende schijf wordt het gas heel heet.” En dat hete gas gaat licht en bijvoorbeeld radiogolven afgeven. “Het licht en de andere straling die van dat hete gas afkomt, noemen we de activiteit van het zwarte gat. Hoe meer licht, hoe actiever,” vertelt Oosterloo. En daarnaast ontstaan er door de draaiing van dat hete gas ook heel sterke magneetvelden. “En die magneetvelden kunnen een deel van de materie in en rondom de schijf met hoge snelheden (soms tot bijna de snelheid van het licht!) wegslingeren, tot wel buiten het sterrenstelsel. Dit is waarneembaar als een soort straalstromen van gas (‘jets’) die wegstromen van het zwarte gat.”
Koel gas komt terug
Op het moment dat het gas wegstroomt van het zwarte gat, wordt het zwarte gat minder actief en dan kan ook weer koel gas naar het zwarte gat terugstromen, zo bedachten astronomen eerder. En Oosterloo en collega’s kunnen die theorie nu dus bevestigen. “De materie die weggeslingerd wordt, is niet meer beschikbaar om het zwarte gat te voeden en dus wordt het zwarte gat minder actief: er is minder ‘brandstof’. Het kan zelfs voorkomen dat het meeste van de materie die in principe het zwarte gat zou kunnen voeden, wegstroomt. En dat de activiteit van het zwarte gat dus vrijwel stopt. Maar als het zwarte gat niet meer actief is, kan materie daarna weer ongestoord naar het zwarte gat toestromen en wordt het weer actief. Dus in hoeverre een zwart gat actief is, is een zelfregulerend proces en hangt af van de balans tussen hoeveel er naar het zwarte gat toestroomt en hoeveel er weer weggeblazen wordt. Die balans varieert met de tijd, dus een zwart gat is soms minder en soms meer actief.”
Belang van het onderzoek
Dat onderzoekers nu kunnen bevestigen dat gas dat eerder door het zwarte gat is opgewarmd, vervolgens naar de buitenste regionen van het sterrenstelsel is gereisd en is afgekoeld ook weer terug kan keren naar het zwarte gat is belangrijk. “De essentie van ons resultaat is dat een belangrijk deel van het gas dat wegstroomt, uiteindelijk wel weer naar het zwarte gat toestroomt. Dus dat er een soort kringloop is van het gas rondom een zwart gat van instroom en uitstroom. Het beter begrijpen van deze kringloop helpt ons om beter te begrijpen hoe de balans tussen instroom en uitstroom met de tijd verloopt.”
Stervorming
Het nieuwe onderzoek leidt niet alleen tot een beter begrip van de wijze waarop de activiteit van zwarte gaten gereguleerd wordt; het heeft indirect ook implicaties voor de vorming van sterren en evolutie van sterrenstelsels, zo vertelt Oosterloo. “De uitstroom van gas bepaalt ook hoeveel sterren in de loop van de tijd in een sterrenstelsel kunnen ontstaan. Sterren ontstaan namelijk uit gaswolken en het gas dat uitstroomt, is (althans tijdelijk) niet meer beschikbaar voor het zwarte gat, maar ook niet voor de vorming van sterren. Dus door de activiteit van het zwarte gat vormen er minder sterren in een sterrenstelsel, of het gaat – afhankelijk van hoeveel gas uitstroomt – in elk geval langzamer. Dit is heel belangrijk. Dit reducerende effect (in vaktermen ‘de feedback’) van het zwarte gat op de hoeveelheid sterren die ontstaan, is een cruciaal element in de huidige modellen voor de vorming en evolutie van sterrenstelsels. Zonder dit effect zouden sterrenstelsels veel meer sterren moeten hebben (en dus veel groter moeten zijn) dan dat we waarnemen. Dus beter begrijpen hoe de activiteit van een zwart gat precies werkt, de impact daarvan op het gas en hoe het kan variëren met de tijd is essentieel.”
Hoewel de onderzoekers zich in hun studie enkel richten op NGC 1275 gaan ze ervan uit dat zwarte gaten in vergelijkbare sterrenstelsels ook diezelfde gaskringloop kennen. Oosterloo: “We zullen verdere waarnemingen doen aan andere sterrenstelsels om te kijken of dat inderdaad zo is.”
