Met behulp van ESO’s Very Large Telescope (VLT) hebben astronomen zes sterrenstelsels ontdekt rond een superzwaar zwart gat dat al bestond toen het heelal nog geen miljard jaar oud was. Het is voor het eerst dat zo’n hechte groep zo kort na de oerknal is waargenomen. De ontdekking geeft meer inzicht in hoe superzware zwarte gaten, waarvan er ook een in het centrum van ons Melkwegstelsel is te vinden, zijn ontstaan en zo snel hun enorme afmetingen hebben bereikt. Ze bevestigt de theorie dat zwarte gaten snel kunnen groeien in grote web-achtige structuren die overvloedige hoeveelheden gas bevatten waarmee ze zich kunnen voeden.
‘Dit onderzoek werd voornamelijk geleid door de wens om enkele van de meest uitdagende astronomische objecten te leren begrijpen: superzware zwarte gaten in het vroege heelal. Tot nu toe hadden we geen goede verklaring voor het bestaan van deze extreme systemen’, zegt Marco Mignoli, astronoom aan het Nationaal Instituut voor Astrofysica (INAF) in Bologna, Italië, en hoofdauteur van het onderzoeksverslag dat vandaag in Astronomy & Astrophysics Letters verschijnt. De nieuwe waarnemingen met ESO’s VLT tonen diverse sterrenstelsels rond een superzwaar zwart gat die zich in een kosmisch ‘spinnenweb’ van gas bevinden, dat zich over meer dan 300 keer de grootte van het Melkwegstelsel uitstrekt. ‘De kosmische webfilamenten zijn als de draden van een spinnenweb’, legt Mignoli uit. ‘De stelsels liggen en groeien op plekken waar de filamenten elkaar kruisen en gas, dat zowel de sterrenstelsels als het centrale superzware zwarte gat voedt, langs de filamenten kan toestromen.’ Het licht van deze grote web-achtige structuur, met zijn zwarte gat van een miljard zonsmassa’s, heeft ons bereikt uit een tijd dat het heelal nog maar 900 miljoen jaar oud was. ‘Ons onderzoek heeft een belangrijk stukje opgeleverd van een nog zeer onvolledige puzzel: hoe kunnen zulke extreme, maar toch betrekkelijk talrijke, objecten zo snel na de oerknal zijn gevormd en gegroeid?’, zegt medeauteur Roberto Gill, ook astronoom aan het INAF in Bologna, daarbij verwijzend naar superzware zwarte gaten.
De allereerste zwarte gaten, waarvan wordt aangenomen dat ze zijn gevormd bij de ineenstorting van de eerste sterren, moeten zeer snel zijn gegroeid. Anders zouden ze binnen de eerste 900 miljoen jaar in het bestaan van het heelal nooit massa’s van een miljard zonnen hebben bereikt. Maar astronomen worstelen met de vraag hoe deze objecten in zo korte tijd zo veel gas konden verzamelen. De nu ontdekte structuur biedt een waarschijnlijke verklaring: het ‘spinnenweb’ en de sterrenstelsels daarbinnen bevatten voldoende gas om het centrale zwarte gat snel tot een superzware kolos te doen uitgroeien. Dat roept natuurlijk de vraag op hoe die grote web-structuren dan zijn ontstaan. Astronomen denken dat reusachtige halo’s van donkere materie het antwoord zijn. Van deze grote gebieden van onzichtbare materie wordt vermoed dat ze vroeg in de geschiedenis van het heelal enorme hoeveelheden gas hebben aangetrokken. Gezamenlijk hebben het gas en de onzichtbare donkere materie web-achtige structuren gevormd, waarin sterrenstelsels en zwarte gaten tot ontwikkeling konden komen. ‘Onze ontdekking onderbouwt het idee dat de verste en zwaarste zwarte gaten zijn ontstaan binnen massarijke halo’s van donkere materie in grootschalige structuren, en dat het feit dat het ontbreken van eerdere detecties van zulke structuren waarschijnlijk te wijten was aan observationele beperkingen,’ zegt Colin Norman van de Johns Hopkins Universiteit in Baltimore, VS, tevens mede-auteur van het onderzoek.
De nu ontdekte sterrenstelsels behoren tot de zwakste die met de huidige telescopen waarneembaar zijn. De ontdekking vereiste urenlange waarnemingen met de grootste telescopen die beschikbaar waren, waaronder de VLT van de ESO-sterrenwacht op Paranal in de Chileense Atacama-woestijn. Met behulp van de VLT-instrumenten MUSE en FORS2 bevestigde het team het verband tussen vier van de zes sterrenstelsels en het zwarte gat. ‘We denken dat we alleen het topje van de ijsberg hebben gezien, en dat de weinige sterrenstelsels die tot nu toe rond dit superzware zwarte gat zijn ontdekt slechts de helderste zijn,’ zegt Barbara Balmaverde, astronoom aan het INAF in Torino, Italië. Deze resultaten dragen bij aan ons begrip van hoe superzware zwarte gaten en grote kosmische structuren zijn gevormd en geëvolueerd. ESO’s Extremely Large Telescope, die momenteel in Chili wordt gebouwd, zal op dit onderzoek kunnen voortbouwen door met zijn krachtige instrumenten nog veel meer zwakkere sterrenstelsels rond enorme zwarte gaten in het vroege heelal te observeren.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het artikel ‘Web of the giant: Spectroscopic confirmation of a large-scale structure around the z = 6.31 quasar SDSS J1030+0524’ dat in Astronomy & Astrophysics verschijnt (doi: 10.1051/0004-6361/202039045).
Het onderzoeksteam bestaat uit M. Mignoli (INAF, Bologna, Italië), R. Gilli (INAF, Bologna, Italië), R. Decarli (INAF, Bologna, Italië), E. Vanzella (INAF, Bologna, Italië), B. Balmaverde (INAF, Pino Torinese, Italië), N. Cappelluti (Department of Physics, University of Miami, Florida, VS), L. Cassarà (INAF, Milano, Italië), A. Comastri (INAF, Bologna, Italië), F. Cusano (INAF, Bologna, Italië), K. Iwasawa (ICCUB, Universitat de Barcelona & ICREA, Barcelona, Spanje), S. Marchesi (INAF, Bologna, Universitat de Barcelona), I. Prandoni (INAF, Istituto di Radioastronomia, Bologna, Italië), C. Vignali (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Bologna, Italië & INAF, Bologna, Italië), F. Vito (Scuola Normale Superiore, Pisa, Italië), G. Zamorani (INAF, Bologna, Italië), M. Chiaberge (Space Telescope Science Institute, Maryland, VS), C. Norman (Space Telescope Science Institute & Johns Hopkins University, Maryland, VS).
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili, met Australië als strategische partner. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT) en haar toonaangevende Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen – VISTA, die in het infrarood werkt, en de op zichtbare golflengten opererende VLT Survey Telescope. Ook op Paranal zal ESO onderkomen bieden aan en het beheer voeren over de Cherenkov Telescope Array South, ’s werelds grootste en meest gevoelige observatorium van gammastraling. ESO speelt tevens een belangrijke partnerrol bij twee faciliteiten op Chajnantor, APEX en ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
