Het onthullen van de oorsprong van superzware zwarte gaten

Zwarte gaten met uitzonderlijk grote massa – meer dan een miljoen keer de massa van de zon, bekend als superzware zwarte gaten (SMBH’s) – worden tegenwoordig vaak in het universum aangetroffen. De oorsprong ervan, evenals de details van wanneer, waar en hoe het verscheen in de loop van 13,8 miljard jaar kosmische evolutie, blijven echter mysterieus.

Uit onderzoek van de afgelopen decennia blijkt dat kleine, extreem massieve sterrenstelsels zich in de kern van elk sterrenstelsel bevinden, en dat hun massa altijd een duizendste is van de massa van hun gaststelsel.

Deze nauwe relatie geeft aan dat sterrenstelsels en ultrazware sterrenstelsels samen zijn geëvolueerd. Daarom is het onthullen van de oorsprong van massieve sterren cruciaal, niet alleen voor het begrijpen van de massieve planeten zelf, maar ook voor het ophelderen van de vormingsprocessen van sterrenstelsels, sleutelcomponenten van het waarneembare heelal.

De sleutel tot het aanpakken van dit probleem ligt in het begin van het universum, aangezien de tijd is verstreken sinds het universum verscheen de grote explosie (dat wil zeggen het begin van het heelal) was minder dan een miljard jaar geleden. Dankzij de eindige snelheid van het licht kunnen we in het verleden kijken door het verre heelal te observeren. Bestonden kleine en middelgrote objecten echt toen het universum nog maar een miljard jaar oud of minder was?

Een voorbeeld van een opname van de nachtelijke hemel die we hebben gemaakt met de Subaru-telescoop. De kleine rode stip in het midden van de vergrote afbeelding vertegenwoordigt het licht dat afkomstig is van een verre quasar, die bestond toen het universum 800 miljoen jaar (13 miljard lichtjaar) oud was. Krediet: Nationaal Astronomisch Observatorium van Japan

is het mogelijk om Zwart gat Om in zo’n korte tijd zo’n grote massa te verkrijgen (meer dan een miljoen zonsmassa’s en soms zelfs miljarden zonsmassa’s te bereiken)? Zo ja, wat zijn de onderliggende mechanismen en fysieke omstandigheden? Om de oorsprong van kleine en middelgrote objecten te benaderen, moet je ze observeren en hun eigenschappen vergelijken met voorspellingen uit theoretische modellen. Om dit te doen, moet je eerst bepalen waar ze zich in de lucht bevinden.

Het onderzoeksteam gebruikte voor dit onderzoek de Subaru-telescoop bovenop de berg Maunakea op Hawaï. Een van de grootste voordelen van Subaru is de mogelijkheid tot surveillance over een groot gebied, en deze is bijzonder geschikt voor dit doel.

Omdat ultrafijne objecten geen licht uitstralen, zocht het team naar een speciale klasse die quasars wordt genoemd: kleine ultrafijne objecten met heldere randen waarbij vallend materiaal zwaartekrachtenergie vrijgeeft. Ze observeerden een groot deel van de hemel dat overeenkomt met 5.000 keer de volle maan en ontdekten met succes 162 quasars die zich in het vroege universum bevonden. In het bijzonder bestonden 22 van deze quasars in een tijdperk waarin het universum minder dan 800 miljoen jaar oud was, de oudste periode waarin quasars tot nu toe zijn geïdentificeerd.

Dankzij het grote aantal ontdekte quasars konden ze een fundamentele maatstaf bepalen, de ‘helderheidsfunctie’, die de ruimtedichtheid van quasars beschrijft als een functie van stralingsenergie. Ze ontdekten dat quasars zich in het vroege heelal zeer snel vormden, terwijl de algemene vorm van de helderheidsfunctie (behalve de amplitude) in de loop van de tijd onveranderd bleef.

De helderheidsfunctie beschrijft de ruimtedichtheid (Φ op de verticale as) als functie van stralingsenergie (M1450 op de horizontale as). We brengen de helderheidsfuncties in kaart van quasars die zijn waargenomen toen het heelal 0,8 (rode stippen), 0,9 (groene ruiten), 1,2 (blauwe vierkanten) en 1,5 (zwarte driehoeken) miljard jaar oud was. De curven vertegenwoordigen de meest geschikte functionele vormen. De ruimtedichtheid van quasars is in de loop van de tijd sterk gestegen, terwijl de vorm van de helderheidsfunctie vrijwel onveranderd is gebleven. Krediet: The Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023

Dit specifieke gedrag van de helderheidsfunctie zorgt voor sterke beperkingen voor theoretische modellen, die uiteindelijk alle waarneembare elementen kunnen reproduceren en de oorsprong van superzware zwarte gaten kunnen beschrijven.

Aan de andere kant was het bekend dat het universum in zijn vroege fase een grote transitie had ondergaan die ‘kosmische reïonisatie’ wordt genoemd. Eerdere waarnemingen geven aan dat bij deze gebeurtenis de gehele intergalactische ruimte werd geïoniseerd. De bron van de ionisatie-energie staat nog steeds ter discussie, waarbij straling van quasars een veelbelovende kandidaat is.

Door de bovenstaande helderheidsfunctie op te nemen, ontdekken we dat quasars 10 uitzenden²⁸ Fotonen per seconde in eenheidsvolume 1 Lichtjaar Aan de ene kant in het vroege heelal. Dit vertegenwoordigt minder dan 1% van de fotonen die nodig zijn om de geïoniseerde toestand van de intergalactische ruimte op dat moment in stand te houden, en geeft dus aan dat quasars slechts een kleine bijdrage leverden aan de kosmische reionisatie. Er zijn dringend andere energiebronnen nodig, die volgens andere recente waarnemingen de ingebouwde straling van hete, massieve sterren kunnen zijn bij de vorming van sterrenstelsels.

Referentie: “Quasar-helderheidsfunctie bij z = 7” door Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, Jun D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikane, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin-Hsiu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Price, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang en Takuji Yamashita, 6 juni 2023, de Astrofysische dagboekbrieven.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f

De studie werd gefinancierd door de Japan Society for the Promotion of Science, de Mitsubishi Foundation en de National Natural Science Foundation of China.