In de eerste gegevens van het Dark Energy Spectroscopic Instrument hebben wetenschappers de grootste steekproeven ooit ontdekt van zwarte gaten van gemiddelde massa en dwergstelsels met een actief zwart gat. Deze grote statistische steekproeven maken diepgaandere studies mogelijk naar de dynamiek tussen de evolutie van dwergstelsels en de groei van zwarte gaten en bieden enorme ontdekkingsmogelijkheden rond de evolutie van de vroegste zwarte gaten in het heelal.
Met behulp van vroege gegevens van het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) heeft een team wetenschappers de grootste verzameling dwergstelsels ooit samengesteld die een actief voedend zwart gat herbergen, evenals de meest uitgebreide verzameling kandidaten voor zwarte gaten van gemiddelde massa tot nu toe. Deze dubbele prestatie vergroot niet alleen het inzicht van wetenschappers in de populatie van zwarte gaten in het heelal, maar vormt ook de basis voor verder onderzoek naar de vorming van de eerste zwarte gaten in het heelal en hun rol in de evolutie van melkwegstelsels.
DESI is een geavanceerd instrument dat het licht van 5000 sterrenstelsels tegelijk kan opvangen. Het is gebouwd en wordt geëxploiteerd met financiering van het Department of Energy (DOE) Office of Science. DESI is gemonteerd op de Nicholas U. Mayall 4-meter telescoop van de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) op het NSF Kitt Peak National Observatory, een programma van NSF NOIRLab. Het programma is nu bezig met het vierde van vijf jaar onderzoek aan de hemel en zal tegen het einde van het project ongeveer 40 miljoen sterrenstelsels en quasars waarnemen.
Het DESI-project is een internationale samenwerking van meer dan 900 onderzoekers van meer dan 70 instellingen over de hele wereld en wordt beheerd door het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van DOE.
Met de eerste gegevens van DESI, die de validatie van de survey en 20% van het eerste jaar omvatten, was het team onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Ragadeepika Pucha van de Universiteit van Utah in staat om een ongekende dataset te verkrijgen die de spectra van 410.000 sterrenstelsels bevat, waaronder ruwweg 115.000 dwergstelsels - kleine, diffuse sterrenstelsels die duizenden tot enkele miljarden sterren en heel weinig gas bevatten. Met deze uitgebreide set kunnen Pucha en haar team de complexe wisselwerking tussen de evolutie van zwarte gaten en dwergstelsels onderzoeken.
Hoewel astrofysici er vrij zeker van zijn dat alle massieve sterrenstelsels, zoals onze Melkweg, zwarte gaten in hun centra hebben, wordt het beeld onduidelijk als je naar het lage-massa-uiteinde van het spectrum gaat. Het vinden van zwarte gaten is al een uitdaging op zich, maar het identificeren van zwarte gaten in dwergstelsels is nog moeilijker, vanwege hun kleine afmetingen en het beperkte vermogen van onze huidige instrumenten om de gebieden in de buurt van deze objecten op te sporen. Een actief voedend zwart gat is echter makkelijker te vinden.
“Wanneer een zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel zich begint te voeden, ontketent het een enorme hoeveelheid energie in zijn omgeving en verandert het in wat we een actieve galactische kern noemen,” zegt Pucha. “Deze dramatische activiteit dient als een baken, waardoor we verborgen zwarte gaten in deze kleine sterrenstelsels kunnen identificeren.”
Op basis van hun zoektocht identificeerde het team een verbazingwekkende 2500 kandidaat-dwergsterrenstelsels met een actieve galactische kern (AGN) - de grootste steekproef ooit ontdekt. De significant hogere fractie dwergstelsels met een AGN (2%) in vergelijking met eerdere studies (ongeveer 0,5%) is een opwindend resultaat en suggereert dat wetenschappers een aanzienlijk aantal onontdekte zwarte gaten met een lage massa hebben gemist.
Dit mozaïek toont een serie afbeeldingen van kandidaten voor zwarte gaten van gemiddelde massa, gerangschikt
in toenemende volgorde van stellaire massa, gemaakt met de Hyper Suprime-Cam van de Subaru-telescoop. Foto: NOIRLab
In een aparte zoektocht door de DESI-gegevens identificeerde het team 300 kandidaten voor zwarte gaten van gemiddelde massa - de meest uitgebreide verzameling tot nu toe. De meeste zwarte gaten zijn licht (minder dan 100 keer de massa van onze zon) of superzwaar (meer dan een miljoen keer de massa van onze zon). De zwarte gaten tussen deze twee uitersten worden slecht begrepen, maar er wordt verondersteld dat ze de overblijfselen zijn van de allereerste zwarte gaten die in het vroege heelal werden gevormd en de kiem vormen voor de superzware zwarte gaten die tegenwoordig in het centrum van grote sterrenstelsels liggen. Toch blijven ze ongrijpbaar: tot nu toe zijn er slechts zo'n 100-150 kandidaten voor zwarte gaten van gemiddelde massa bekend. Met de grote populatie die door DESI is ontdekt, beschikken wetenschappers nu over een krachtige nieuwe dataset om deze kosmische raadsels te bestuderen.
“Het technologische ontwerp van DESI was belangrijk voor dit project, met name de kleine vezelgrootte, waardoor we beter konden inzoomen op het centrum van sterrenstelsels en de subtiele signaturen van actieve zwarte gaten konden identificeren,” zegt Stephanie Juneau, geassocieerd astronoom bij NSF NOIRLab en co-auteur van het artikel. “Bij andere spectrografen met grotere vezels komt er meer sterlicht van de rand van het sterrenstelsel binnen en worden de signalen waarnaar we zoeken verdund. Dit verklaart waarom we in dit werk een hogere fractie actieve zwarte gaten hebben gevonden dan bij eerdere pogingen.”
Normaal gesproken wordt verwacht dat zwarte gaten in dwergsterrenstelsels tot de middelzware massa behoren. Maar intrigerend genoeg overlappen slechts 70 van de nieuw ontdekte middenmassa zwarte gaten met dwerg-AGN kandidaten. Dit maakt de bevindingen nog spannender en roept vragen op over de vorming en evolutie van zwarte gaten in sterrenstelsels. “Is er bijvoorbeeld een verband tussen de mechanismen van de vorming van zwarte gaten en de soorten sterrenstelsels waarin ze leven?” zei Pucha. “Onze rijkdom aan nieuwe kandidaten zal ons helpen om dieper in deze mysteries te duiken en ons begrip van zwarte gaten en hun centrale rol in de evolutie van sterrenstelsels te verrijken.”
Bron: NOIRLab
