Merlin74 / Shutterstock
Een nieuwe studie gepubliceerd in Nature Astronomy beschrijft het meest lichtgevende object dat ooit door astronomen is waargenomen. Het is een zwart gat met een massa van 17 miljard zonnen, dat elke dag een grotere hoeveelheid massa dan de zon opslokt.
Het is al tientallen jaren bekend, maar omdat het zo helder is, namen astronomen aan dat het een nabije ster moest zijn. Pas recente waarnemingen onthulden zijn extreme afstand en helderheid.
Het object heeft de naam J0529-4351 gekregen. Deze naam verwijst simpelweg naar zijn coördinaten op de hemelbol – een manier om de objecten aan de hemel te projecteren op de binnenkant van een bol. Het is een type object dat een quasar wordt genoemd.
De fysieke aard van quasars was aanvankelijk onbekend. Maar in 1963 werd het zichtbare licht van een quasar genaamd 3C 273 opgesplitst in al zijn golflengten (bekend als het spectrum). Hieruit bleek dat de quasar zich op bijna 2 miljard lichtjaar afstand bevond.
Gezien hoe helder 3C 273 voor ons lijkt en hoe ver weg hij is, moet hij extreem lichtgevend zijn – een term in de astronomie die verwijst naar de hoeveelheid licht die een object in een tijdseenheid uitzendt. De enige bekende energiebron voor zo’n extreme helderheid is door materiaal dat in een superzwaar zwart gat valt. Quasars zijn daarom de actiefst groeiende zwarte gaten in het heelal.
Krachtbron
Superzware zwarte gaten bevinden zich vaak in het centrum van sterrenstelsels. Zoals alle quasars wordt J0529-4351 aangedreven door materiaal, voornamelijk oververhit waterstof- en heliumgas, dat vanuit het omringende sterrenstelsel in zijn zwarte gat valt.
Elke dag valt er ruwweg een keer de massa van de zon in dit zwarte gat. Hoe zoveel gas precies naar het centrum van sterrenstelsels kan worden geleid om de massa van zwarte gaten te vergroten, is een onbeantwoorde vraag in de astrofysica.
In het centrum van het sterrenstelsel vormt het gas zich tot een dunne schijfvorm. De eigenschappen van viscositeit (weerstand tegen de stroming van materie in de ruimte) en wrijving in de dunne schijf helpen het gas te verhitten tot tienduizenden graden Celsius. Dit is heet genoeg om te gloeien bij ultraviolet en zichtbaar licht. Het is die gloed die we vanaf de aarde kunnen waarnemen.
Met een massa van ongeveer 17 miljard zonnen is J0529-4351 niet het meest massieve zwarte gat dat bekend is. Eén object in het centrum van de melkwegcluster Abell 1201 is gelijk aan 30 miljard zonnen. We moeten echter in gedachten houden dat vanwege de tijd die het licht nodig heeft om de enorme afstand tussen dit object en de aarde te overbruggen, we dit object zien op een moment dat het heelal nog maar 1,5 miljard jaar oud was. Het is nu ongeveer 13,7 miljard jaar oud.
Dit zwarte gat moet dus met deze snelheid gegroeid zijn, of accretie, gedurende een aanzienlijk deel van de leeftijd van het heelal tegen de tijd dat het werd waargenomen. De auteurs geloven dat de gasaccretie door het zwarte gat dicht bij de limiet van de natuurkundige wetten gebeurt. Snellere gasaanwas veroorzaakt een meer lichtgevende schijf van gas rond het zwarte gat die op zijn beurt kan voorkomen dat er nog meer materiaal naar binnen valt.
Verhaal van de ontdekking
J0529-4351 is al tientallen jaren bekend, maar ondanks dat het een accretieschijf van gas heeft die 15.000 keer groter is dan ons zonnestelsel en zijn eigen sterrenstelsel beslaat – dat waarschijnlijk bijna net zo groot is als de Melkweg – is het zo ver weg dat het in onze telescopen als een enkel lichtpuntje verschijnt.
Dit betekent dat het moeilijk te onderscheiden is van de miljarden sterren in ons eigen sterrenstelsel. Om te ontdekken dat het in feite een ver, krachtig, superzwaar zwart gat is, waren wat complexere technieken nodig. Ten eerste verzamelden astronomen licht in het midden van het infrarode golfgebied (licht met een veel langere golflengte dan wij kunnen zien).
Sterren en quasars zien er op die golflengten heel anders uit dan wij. Om de waarneming te bevestigen, werd een spectrum genomen (net als bij de quasar 3C 273) met behulp van de 2,3-meter telescoop van de Australian National University in Siding Spring Observatory, New South Wales.
En net als bij 3C 273 onthulde het spectrum zowel de aard van het object als hoe ver weg het was – 12 miljard lichtjaar. Dit maakte duidelijk hoe extreem helder het object moet zijn.
Gedetailleerde controles
Ondanks deze metingen moesten er een aantal controles worden uitgevoerd om de ware helderheid van de quasar te bevestigen. Ten eerste moesten astronomen er zeker van zijn dat het licht niet was vergroot door een bron aan de hemel die dichter bij de aarde was. Net als lenzen die in een bril of verrekijker worden gebruikt, kunnen sterrenstelsels als lenzen werken. Ze zijn zo dicht dat ze het licht van verder weg gelegen bronnen die perfect achter hen zijn uitgelijnd, kunnen afbuigen en uitvergroten.
Gegevens van de Gaia-satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie, die extreem nauwkeurige metingen van de positie van J0529-4351 heeft, werden gebruikt om vast te stellen dat J0529-4351 echt een enkele lichtbron zonder lens aan de hemel is. Dit wordt ondersteund door meer gedetailleerde spectra van de VLT (Very Large Telescope) van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht in Chili.
J0529-4351 zal waarschijnlijk een zeer belangrijk instrument worden voor de toekomstige studie van quasars en de groei van zwarte gaten. De massa van zwarte gaten is een fundamentele eigenschap, maar is erg moeilijk om direct te meten, omdat er geen standaard set weegschalen bestaat voor zulke absurd grote, mysterieuze objecten.
Eén techniek is het meten van het effect dat het zwarte gat heeft op diffuser gas dat er in grote wolken omheen draait, het zogenaamde “brede-lijngebied”. Dit gas wordt in het spectrum zichtbaar door brede “emissielijnen”, die worden veroorzaakt door elektronen die tussen specifieke energieniveaus in het geïoniseerde gas springen.
De breedte van deze lijnen is direct gerelateerd aan de massa van het zwarte gat, maar de ijking van deze relatie is zeer slecht getest voor de meest heldere objecten zoals J0529-4351. Omdat J0529-4351 echter fysiek zo groot en zo helder is, zal het kunnen worden waargenomen door een nieuw instrument dat op de VLT wordt geïnstalleerd, Gravity+ genaamd.
Dit instrument zal een directe meting van de massa van het zwarte gat geven en de relaties kalibreren die worden gebruikt om massa’s in andere objecten met een hoge helderheid te schatten.
Philip Wiseman werkt aan de Universiteit van Southampton en wordt gefinancierd door de Science and Technology Facilities Council.
