Treiterende zwarte gaten dwingen sterrenstelsels om rood en dood te blijven

Treiterende zwarte gaten dwingen sterrenstelsels om rood en dood te blijvenClick here for a high res image. Klik hier voor een hoge resolutie foto.

Herschel heeft zware elliptische sterrenstelsels ontdekt in het nabije universum die genoeg koud gas bevatten, maar toch niet in staat zijn nieuwe sterren te produceren. Vergelijking met andere data doet vermoeden dat, hoewel heet gas afkoelt in deze sterrenstelsels, er geen sterren worden gevormd omdat stralen vanuit het centrale supermassieve zwarte gat het gas verhitten of opporren en zo voorkomen dat het gas in sterren verandert.

 

Reusachtige elliptische sterrenstelsels zijn de meest raadselachtige soort sterrenstelsels in het heelal. Aangezien zij op mysterieuze wijze hun stervormende activiteiten stopzetten en alleen onderdak bieden aan hun langstlevende sterren - die een lage massa hebben en er rood uitzien -  noemen astronomen deze sterrenstelsels vaak 'rood en dood'.

Tot nu toe werd aangenomen dat rood-en-dood sterrenstelsels arm waren aan koud gas - de vitale grondstof waaruit sterren ontstaan. Terwijl koud gas rijkelijk aanwezig is in spiraalvormige sterrenstelsels met een welig tierende stervorming, leek het gebrek aan koud gas in elliptische sterrenstelsels een verklaring voor de afwezigheid van nieuwe sterren.

Astronomen discussiëren al heel lang over de natuurkundige processen die leiden tot het einde van stervorming. Zij speculeerden dat deze sterrenstelsels op een of andere manier het koude gas verdreven, of dat ze het eenvoudigweg allemaal hadden verbruikt voor de stervorming in het verleden. Hoewel de oorzaak onzeker was, leek één ding te zijn vastgesteld: deze sterrenstelsels zijn rood en dood omdat ze niet langer beschikken over de middelen om de productie van sterren te ondersteunen.  

Deze zienswijze wordt nu betwist door een nieuw onderzoek gebaseerd op data van ESA's Herschel Ruimteobservatorium. De resultaten worden gepubliceerd in 'Monthly Notices of the Royal Astronomical Society'.

‘We hebben gekeken naar acht reusachtige elliptische sterrenstelsels waar voorheen nog niemand naar had gekeken met Herschel en we waren verheugd te ontdekken dat, in tegenstelling tot wat vroeger werd gedacht, zes van de acht koud gas in overvloed hadden', verklaart Norbert Werner van de Stanford Universiteit in Californië, Verenigde Staten, die het onderzoek leidde.

Dit is de eerste keer dat astronomen grote hoeveelheden koud gas in een rood-en-dood sterrenstelsel hebben waargenomen die zich niet bevonden in het centrum van een massief cluster van sterrenstelsels.

Het koude gas manifesteerde zich door infrarood emissies van koolstofionen en zuurstofatomen. Herschel's gevoeligheid op deze golflengtes was doorslaggevend bij deze ontdekking.

‘Hoewel we koud gas waarnemen, wijst niets op continue stervorming,' zegt co-auteur Raymond Oonk van ASTRON, het Nederlands instituut voor radioastronomie.

‘Dit is bizar: met voldoende koud gas tot hun beschikking, waarom vormen deze sterrenstelsels geen sterren?'

De astronomen onderzochten hun steekproef van sterrenstelsels vervolgens langs het elektromagnetisch spectrum, aangezien gas bij verschillende temperaturen helder schijnt op verschillende golflengtes. Ze gebruikten optische beelden om het warme gas te onderzoeken - op iets hogere temperaturen dan het koude gas dat was waargenomen met Herschel, en met röntgenstralingsdata van NASA's Chandra röngtenstralingsobservatorium om het hete gas op te sporen, tot tientallen miljoenen graden Kelvin.

‘In de zes sterrenstelsels die rijk zijn aan koud gas, gaven de röngtenstralingsdata duidelijk aan dat het hete gas aan het afkoelen is,' zegt Werner.

Dit komt overeen met de theoretische verwachtingen: eenmaal afgekoeld, zou het hete gas het warme en koude gas worden dat wordt waargenomen op langere golflengtes. Echter, in deze sterrenstelsels is het afkoelingsproces op een of andere manier gestopt, en het koude gas slaagde er niet in te condenseren en sterren te vormen.

In de andere twee sterrenstelsels in de steekproef - die zonder koud gas - lijkt het hete gas helemaal niet af te koelen.

‘Het tegenstrijdige gedrag van deze sterrenstelsels zou een gemeenschappelijke verklaring kunnen hebben: het centrale superzware zwarte gat,' voegt Oonk toe.

In sommige theoretische modellen kan het activiteitsniveau van een zwart gat verklaren waarom gas in een sterrenstelsel in staat is - of niet in staat is - af te koelen en sterren te vormen. En dit lijkt ook van toepassing op de sterrenstelsels die zijn bestudeerd door Werner en zijn collega's.

Terwijl de zes sterrenstelsels met voldoende koud gas matig actieve zwarte gaten herbergen in hun centrum, tonen de andere twee een uitgesproken verschil. In de twee sterrenstelsels zonder koud gas, groeit de hoeveelheid materie in de centrale zwarte gaten in een waanzinnig tempo, zoals wordt bevestigd door radiowaarnemingen die krachtige stralen laten zien van uiterst dynamische deeltjes die voortkomen uit hun kern.

De stralen zouden een effect kunnen zijn van het hete gas dat afkoelt en naar het centrum van de sterrenstelsels stroomt. Deze instroming van koud gas kan het groeitempo van het zwarte gat versterken, waardoor de stralen worden uitgestoten die worden waargenomen op radiogolflengtes.

De stralen, op hun beurt, hebben het vermogen om het reservoir aan koud gas in het sterrenstelsel opnieuw te verhitten - of het zelfs buiten het bereik van het sterrenstelsel te duwen. Dit scenario kan de afwezigheid van stervorming verklaren in alle sterrenstelsels die werden geobserveerd in dit onderzoek en, tegelijkertijd, het gebrek aan koud gas in de stelsels met krachtige stralen.

‘Deze sterrenstelsels zijn rood, maar met de reusachtige zwarte gaten die in hun hart pompen, zijn ze absoluut niet dood,' meent Werner.

‘Opnieuw heeft Herschel iets ontdekt dat nooit eerder was waargenomen: significante hoeveelheden koud gas in nabijgelegen rood-en-dood sterrenstelsels,' merkt Göran Pilbratt op, Herschel Projectwetenschapper bij ESA, ‘desondanks vormen deze sterrenstelsels geen sterren, en de dader lijkt het zwarte gat te zijn.'

 


 

Bijschrift foto: composietbeeld van het enorme elliptische sterrenstelsel NGC 5044. Bron: Digitised Sky Survey/NASA Chandra/Southern Observatory for Astrophysical Research/Very Large Array (Robert Dunn et al. 2010).

Klik hier voor drie extra foto's en bijschriften (pdf).

 

Achtergrondinformatie

Het onderzoek dat hier wordt gepresenteerd is gebaseerd op waarnemingen uitgevoerd met de Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) aan boord van ESA's Herschel Ruimteobservatorium.

Bovendien gebruikten de astronomen ook optische waarnemingen van de Southern Observatory for Astrophysical Research (SOAR) telescoop in Chili en gearchiveerde röntgenstralingsdata van NASA's Chandra Röntgenstralingsobservatorium.

Herschel is een ESA ruimteobservatorium met wetenschappelijke instrumenten die zijn geleverd door Europees geleide Principal Investigator onderzoeksconsortia en met een belangrijke inbreng van de NASA.

Het PACS instrument bevat een beeldlichtmeter (camera) en een imaging spectrometer. De camera werkt op drie banden gecentreerd op respectievelijk 70, 100, en 160 μm. De spectrometer beslaat de golflengtes in het bereik tussen 51 en 220 μm. PACS is ontwikkeld door een consortium van instituten onder leiding van MPE (Duitsland) en inclusief UVIE (Oostenrijk); KU Leuven, CSL, IMEC (België); CEA, LAM (Frankrijk); MPIA (Duitsland); INAF-IFSI/OAA/OAP/OAT, LENS, SISSA (Italië); IAC (Spanje). Deze ontwikkeling werd ondersteund door de financiers  MVIT (Oostenrijk), ESA-PRODEX (België), CEA/CNES (Frankrijk), DLR (Duitsland), ASI/INAF (Italië) en CICYT/MCYT (Spanje).

Herschel werd gelanceerd op 14 mei 2009 en voltooide de wetenschappelijke observaties op 29 april 2013.

 

Verwante publicaties (links in het rechter menu op de webpagina)

N. Werner, et al., "The origin of cold gas in giant elliptical galaxies and its role in fuelling radio-mode AGN feedback", 2014, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

 

Contact

Norbert Werner
Kavli instituut voor deeltjesastrofysica en kosmologie en Departement voor natuurkunde, Stanford Universiteit
Stanford, CA, USA
Email: norbertw[@]stanford.edu
Telefoon: +81-90-6489-3142

 

J. B. Raymond Oonk
ASTRON, Nederlands instituut voor radioastronomie
Dwingeloo, Nederland
Email: oonk[@]astron.nl
Telefoon: +31-521-595-766

 

Göran Pilbratt
Herschel Projectwetenschapper
Wetenschappelijk Ondersteuningsbureau
Directoraat Wetenschappelijke en Gerobotiseerde Exploratie
ESA, Nederland
Email: gpilbratt[@]rssd.esa.int
Telefoon: +31-71-565-3621

Design: Kuenst.    Development: Dripl.    © 2020 ASTRON