Op 12 mei, tijdens negen gelijktijdige persconferenties over de hele wereld, hebben astrofysici onthulde de eerste afbeelding van het zwarte gat in het hart van de Melkweg. In eerste instantie, hoe geweldig het ook was, leek het nauwgezet geproduceerde beeld van de ring van licht rond de centrale duisternis van ons melkwegstelsel alleen maar te bewijzen wat experts al hadden verwacht: het superzware zwarte gat van de Melkweg bestaat, het draait en het gehoorzaamt aan de eisen van Albert Einstein. algemene relativiteitstheorie.
En toch, bij nader inzien, stapelen de dingen niet helemaal op.
Uit de helderheid van de bagel van licht hebben onderzoekers geschat: hoe snel materie valt op Sagittarius A* — de naam die aan het centrale zwarte gat van de Melkweg is gegeven. Het antwoord is: helemaal niet snel. "Het is verstopt tot een klein straaltje," zei Priya Natarajan, een kosmoloog aan de Yale University, die de melkweg vergelijkt met een kapotte douchekop. Op de een of andere manier slechts een duizendste van de zaak dat is stroomt in de Melkweg van het omringende intergalactische medium maakt het helemaal naar beneden en in het gat. "Dat onthult een enorm probleem," zei Natarajan. “Waar gaat dit gas naartoe? Wat gebeurt er met de stroom? Het is heel duidelijk dat ons begrip van de groei van zwarte gaten verdacht is.”
In de afgelopen kwart eeuw zijn astrofysici gaan inzien wat een hechte, dynamische relatie bestaat tussen veel sterrenstelsels en de zwarte gaten in hun centra. "Er is echt een enorme verandering in het veld geweest", zegt Ramesh Narayan, een theoretisch astrofysicus aan de Harvard University. "De verrassing was dat zwarte gaten belangrijk zijn als vormgevers en controllers van hoe sterrenstelsels evolueren."
Deze gigantische gaten - concentraties van materie die zo dicht zijn dat de zwaartekracht zelfs het licht verhindert te ontsnappen - zijn als de motoren van sterrenstelsels, maar onderzoekers beginnen pas te begrijpen hoe ze werken. Zwaartekracht trekt stof en gas naar binnen naar het galactische centrum, waar het een wervelende accretieschijf rond het superzware zwarte gat vormt, opwarmt en verandert in witgloeiend plasma. Dan, wanneer het zwarte gat deze materie overspoelt (ofwel in druppeltjes en druppeltjes of in plotselinge uitbarstingen), wordt energie terug in de melkweg gespuwd in een feedbackproces. "Als je een zwart gat laat groeien, produceer je energie en dump je het efficiënter in de omgeving dan door enig ander proces dat we in de natuur kennen," zei Eliot Quataert, een theoretisch astrofysicus aan de Princeton University. Deze feedback beïnvloedt de stervormingssnelheden en gasstroompatronen door de melkweg.
Maar onderzoekers hebben alleen vage ideeën over de "actieve" afleveringen van superzware zwarte gaten, die ze veranderen in zogenaamde actieve galactische kernen (AGN's). “Wat is het triggermechanisme? Wat is de uit-schakelaar? Dit zijn de fundamentele vragen die we nog steeds proberen te bereiken,” zei Kirsten Hall van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Van stellaire feedback, die optreedt wanneer een ster als een supernova explodeert, is bekend dat deze op kleinere schaal vergelijkbare effecten heeft als AGN-feedback. Deze stellaire motoren zijn gemakkelijk groot genoeg om kleine "dwerg" sterrenstelsels te reguleren, terwijl alleen de gigantische motoren van superzware zwarte gaten de evolutie van de grootste "elliptische" sterrenstelsels kunnen domineren.
Qua grootte zit de Melkweg, een typisch spiraalstelsel, in het midden. Met weinig duidelijke tekenen van activiteit in het centrum, werd lang gedacht dat ons sterrenstelsel werd gedomineerd door stellaire feedback. Maar verschillende recente waarnemingen suggereren dat AGN-feedback dit ook vormgeeft. Door de details van het samenspel tussen deze feedbackmechanismen in ons eigen sterrenstelsel te bestuderen - en te worstelen met puzzels zoals de huidige zwakte van Sagittarius A * - hopen astrofysici erachter te komen hoe sterrenstelsels en zwarte gaten in het algemeen samen evolueren. De Melkweg "wordt het krachtigste astrofysische laboratorium", zei Natarajan. Door als een microkosmos te dienen, kan het 'de sleutel in handen hebben'.
Galactische motoren
Tegen het einde van de jaren negentig accepteerden astronomen over het algemeen de aanwezigheid van zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels. Tegen die tijd konden ze dicht genoeg bij deze onzichtbare objecten kijken om hun massa af te leiden uit de bewegingen van de sterren om hen heen. EEN vreemde correlatie naar voren gekomen: Hoe massiever een sterrenstelsel is, hoe zwaarder zijn centrale zwarte gat. “Dit was bijzonder strak, en het was totaal revolutionair. Op de een of andere manier praat het zwarte gat met de melkweg,” zei Tiziana di Matteo, een astrofysicus aan de Carnegie Mellon University.
De correlatie is verrassend als je bedenkt dat het zwarte gat - hoe groot het ook is - slechts een fractie is van de grootte van de melkweg. (Boogschutter A* weegt bijvoorbeeld ongeveer 4 miljoen zonnen, terwijl de Melkweg zo'n 1.5 biljoen zonsmassa's meet.) Hierdoor trekt de zwaartekracht van het zwarte gat alleen met enige kracht aan het binnenste deel van de melkweg.
Voor Martin Rees, de Britse Astronoom Royal, bood AGN-feedback een natuurlijke manier om het relatief kleine zwarte gat te verbinden met de melkweg in het algemeen. Twee decennia eerder, in de jaren zeventig, veronderstelde Rees terecht dat superzware zwarte gaten voed de lichtgevende jets waargenomen in enkele verre, helder gloeiende sterrenstelsels die quasars worden genoemd. Hij deed zelfs voorgestelde, samen met Donald Lynden-Bell, dat een zwart gat zou verklaren waarom het centrum van de Melkweg gloeit. Zouden dit tekenen kunnen zijn van een algemeen fenomeen dat de grootte van superzware zwarte gaten overal bepaalt?
Het idee was dat hoe meer materie een zwart gat opslokt, hoe helderder het wordt, en hoe meer energie en momentum gas naar buiten blaast. Uiteindelijk zorgt de uitgaande druk ervoor dat er geen gas in het zwarte gat valt. “Dat maakt een einde aan de groei. Op een handgolvende manier, dat was de redenering”, aldus Rees. Of, in de woorden van Di Matteo, "het zwarte gat eet en slikt vervolgens." Een heel groot sterrenstelsel legt meer gewicht op het centrale zwarte gat, waardoor het moeilijker wordt om gas naar buiten te blazen, en dus wordt het zwarte gat groter voordat het wordt ingeslikt.
Toch waren maar weinig astrofysici ervan overtuigd dat de energie van invallende materie op zo'n dramatische manier kon worden uitgestoten. "Toen ik mijn scriptie aan het schrijven was, waren we allemaal geobsedeerd door zwarte gaten als een point of no return - er gaat gewoon gas naar binnen", zegt Natarajan, die hielp bij het ontwikkelen van de eerste AGN-feedbackmodellen als Rees' afgestudeerde student. "Iedereen moest het heel voorzichtig en behoedzaam doen omdat het zo radicaal was."
Bevestiging van het feedbackidee kwam een paar jaar later, door computersimulaties ontwikkeld door Di Matteo en de astrofysici Volker Springel en Lars Hernquist. "We wilden de verbazingwekkende dierentuin van sterrenstelsels die we in het echte universum zien, reproduceren", zei Di Matteo. Ze kenden het basisbeeld: sterrenstelsels beginnen klein en dicht in het vroege heelal. Draai de klok vooruit en de zwaartekracht verplettert deze dwergen in een gloed van spectaculaire versmeltingen, waarbij ringen, draaikolken, sigaren en elke vorm daartussenin ontstaat. Sterrenstelsels groeien in grootte en variëteit totdat ze, na voldoende botsingen, groot en glad worden. "Het eindigt in een klodder", zei Di Matteo. In de simulaties konden zij en haar collega's deze grote karakterloze blobs, elliptische sterrenstelsels genaamd, opnieuw creëren door spiraalstelsels vele malen samen te voegen. Maar er was een probleem.
Terwijl spiraalstelsels zoals de Melkweg veel jonge sterren hebben die blauw oplichten, bevatten gigantische elliptische sterrenstelsels alleen zeer oude sterren die rood oplichten. "Ze zijn rood en dood", zegt Springel van het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Garching, Duitsland. Maar elke keer dat het team hun simulatie uitvoerde, spuugde het elliptische trainers uit die blauw gloeiden. Wat de stervorming ook uitschakelde, was niet vastgelegd in hun computermodel.
Toen, zei Springel, "hadden we het idee om onze melkwegfusies te vergroten met superzware zwarte gaten in het centrum. We laten deze zwarte gaten gas opslokken en energie vrijgeven totdat het hele ding uit elkaar vloog, als een snelkookpan. Plots zou het elliptische sterrenstelsel de stervorming stoppen en rood en dood worden.”
"Mijn mond viel open", voegde hij eraan toe. "We hadden niet verwacht dat [het effect] zo extreem zou zijn."
Door rood-en-dode elliptische trainers te reproduceren, versterkte de simulatie de feedbacktheorieën voor zwarte gaten van Rees en Natarajan. Een zwart gat kan, ondanks zijn relatief kleine omvang, via feedback met de melkweg als geheel praten. In de afgelopen twee decennia zijn de computermodellen verfijnd en uitgebreid om grote delen van de kosmos te simuleren, en ze komen in grote lijnen overeen met de eclectische melkwegdierentuin die we om ons heen zien. Deze simulaties laten ook zien dat uitgestoten energie van zwarte gaten de ruimte tussen sterrenstelsels vult met heet gas dat anders al zou zijn afgekoeld en in sterren zou zijn veranderd. “Mensen zijn er inmiddels van overtuigd dat superzware zwarte gaten zeer plausibele motoren zijn”, zegt Springel. "Niemand heeft een succesvol model bedacht zonder zwarte gaten."
Mysteries van feedback
Toch zijn de computersimulaties nog steeds verrassend bot.
Terwijl materie naar binnen kruipt naar de accretieschijf rond een zwart gat, zorgt wrijving ervoor dat energie terug naar buiten wordt geduwd; de hoeveelheid energie die op deze manier verloren gaat, is iets dat de programmeurs met de hand in hun simulaties stoppen met vallen en opstaan. Het is een teken dat de details nog ongrijpbaar zijn. "Het is mogelijk dat we in sommige gevallen het juiste antwoord krijgen om de verkeerde reden", zegt Quataert. "Misschien leggen we niet vast wat eigenlijk het belangrijkste is over hoe zwarte gaten groeien en hoe ze energie in hun omgeving dumpen."
De waarheid is dat astrofysici niet echt weten hoe AGN-feedback werkt. “We weten hoe belangrijk het is. Maar het ontgaat ons precies wat deze feedback veroorzaakt”, aldus Di Matteo. "Het belangrijkste probleem is dat we feedback fysiek niet diepgaand begrijpen."
Ze weten dat er wat energie wordt uitgestraald als straling, wat de centra van actieve sterrenstelsels hun karakteristieke heldere gloed geeft. Sterke magnetische velden zorgen ervoor dat materie ook uit de accretieschijf vliegt, hetzij als diffuse galactische winden of in krachtige smalle jets. Het mechanisme waarmee zwarte gaten worden verondersteld jets te lanceren, het Blandford-Znajek-proces, werd in de jaren zeventig geïdentificeerd, maar wat de kracht van de straal bepaalt en hoeveel van zijn energie door de melkweg wordt geabsorbeerd, is "nog steeds een open, onopgelost probleem", zei Narayan. De galactische wind, die sferisch uit de accretieschijf voortkomt en dus de neiging heeft om directer met de melkweg in wisselwerking te staan dan de smalle jets, is zelfs nog mysterieuzer. “De vraag van een miljard dollar is: hoe is de energiekoppeling met het gas?” zei Springel.
Een teken dat er nog steeds een probleem is, is dat de zwarte gaten in ultramoderne kosmologische simulaties kleinere dan de waargenomen afmetingen van echte superzware zwarte gaten in sommige systemen. Om stervorming uit te schakelen en rode en dode sterrenstelsels te creëren, hebben de simulaties zwarte gaten nodig om zoveel energie uit te stoten dat ze de inwaartse flux van materie verstikken, zodat de zwarte gaten stoppen met groeien. “De feedback in de simulaties is te agressief; het belemmert de groei voortijdig,” zei Natarajan.
De Melkweg is een voorbeeld van het tegenovergestelde probleem: simulaties voorspellen doorgaans dat een sterrenstelsel van zijn grootte een zwart gat zou moeten hebben dat drie tot tien keer groter is dan Boogschutter A*.
Door de Melkweg en nabijgelegen sterrenstelsels van dichterbij te bekijken, hopen onderzoekers dat we kunnen beginnen te ontrafelen hoe AGN-feedback precies werkt.
Melkweg ecosysteem
In december 2020 meldden onderzoekers met de eROSITA-röntgentelescoop dat ze hadden zag een paar bubbels strekt zich uit over tienduizenden lichtjaren boven en onder de Melkweg. De enorme bellen van röntgenstralen leken op even verbijsterende bellen van gammastraling die tien jaar eerder door de Fermi Gamma-ray Space Telescope werden gedetecteerd die uit de melkweg kwamen.
Twee oorsprongstheorieën van de Fermi-bubbels werden nog steeds fel bediscussieerd. Sommige astrofysici suggereerden dat ze een overblijfsel waren van een straaljager die miljoenen jaren geleden uit Boogschutter A* schoot. Anderen dachten dat de bubbels de geaccumuleerde energie waren van veel sterren die explodeerden in de buurt van het galactische centrum - een soort stellaire feedback.
. Hsiang-Yi Karen Yang van de National Tsing Hua University in Taiwan het beeld van de eROSITA-röntgenbellen zag, begon ze "op en neer te springen". Het was Yang duidelijk dat de röntgenstralen een gemeenschappelijke oorsprong zouden kunnen hebben met de gammastralen als beide werden gegenereerd door dezelfde AGN-straal. (De röntgenstralen zouden afkomstig zijn van geschokt gas in de Melkweg in plaats van van de jet zelf.) Samen met co-auteurs Ellen Zweibel en Mateusz Ruszkowski, begon ze een computermodel te bouwen. De resultaten, gepubliceerd Natuurastrofysica dit afgelopen voorjaar niet alleen de vorm van de waargenomen bellen en een helder schokfront nabootsen, maar voorspellen dat ze zich in de loop van 2.6 miljoen jaar hebben gevormd (naar buiten uitzettend vanuit een straal die 100,000 jaar actief was) - veel te snel om te worden verklaard door stellaire feedback.
De bevinding suggereert dat AGN-feedback veel belangrijker kan zijn in alledaagse schijfsterrenstelsels zoals de Melkweg dan onderzoekers vroeger dachten. Het beeld dat naar voren komt, lijkt op dat van een ecosysteem, zei Yang, waar AGN en stellaire feedback verweven zijn met het diffuse, hete gas dat sterrenstelsels omringt, het circumgalactische medium genoemd. Verschillende effecten en stroompatronen zullen domineren in verschillende soorten sterrenstelsels en op verschillende tijdstippen.
Een case study van het verleden en heden van de Melkweg zou het samenspel van deze processen kunnen onthullen. De Europese ruimtetelescoop Gaia heeft bijvoorbeeld de precieze posities en bewegingen van miljoenen sterren in de Melkweg in kaart gebracht, waardoor astrofysici de geschiedenis van de samensmeltingen met kleinere sterrenstelsels kunnen nagaan. Er wordt verondersteld dat dergelijke fusiegebeurtenissen superzware zwarte gaten activeren door materie erin te schudden, waardoor ze plotseling helderder worden en zelfs jets lanceren. “Er is een grote discussie in het veld of fusies al dan niet belangrijk zijn”, zegt Quataert. De Gaia-sterrengegevens suggereert dat de Melkweg geen fusie onderging op het moment dat de Fermi- en eROSITA-bubbels zich vormden, waardoor fusies als de triggers van de AGN-jet ongunstig waren.
Als alternatief kunnen klodders gas toevallig op het zwarte gat botsen en het activeren. Het kan chaotisch schakelen tussen eten, energie uitstoten als jets en galactische winden, en pauzeren.
Het recente beeld van Sagittarius A* van de Event Horizon Telescope, dat zijn huidige straaltje van vallende materie onthult, presenteert een nieuwe puzzel om op te lossen. Astrofysici wisten al dat niet al het gas dat in een melkwegstelsel wordt gezogen, de horizon van het zwarte gat zal bereiken, aangezien galactische winden tegen deze accretiestroom naar buiten duwen. Maar de kracht van de wind die nodig is om zo'n extreem taps toelopende stroming te verklaren, is onrealistisch. "Als ik simulaties doe, zie ik geen enorme wind", zegt Narayan. "Het is niet het soort wind dat je nodig hebt voor een volledige uitleg van wat er aan de hand is."
Geneste simulaties
Een deel van de uitdaging om te begrijpen hoe sterrenstelsels werken, is het enorme verschil tussen de lengteschalen in sterren en zwarte gaten en de schalen van hele sterrenstelsels en hun omgeving. Bij het simuleren van een fysiek proces op een computer, kiezen onderzoekers een schaal en nemen relevante effecten op die schaal op. Maar in sterrenstelsels werken grote en kleine effecten op elkaar in.
"Het zwarte gat is echt klein, vergeleken met het grote sterrenstelsel, en je kunt ze niet allemaal in één enkele gigantische simulatie stoppen", zei Narayan. “Elk regime heeft informatie nodig van de andere man, maar weet niet hoe het verband te leggen.”
Om deze kloof te overbruggen, lanceren Narayan, Natarajan en collega's een project dat geneste simulaties zal gebruiken om een coherent model te bouwen van hoe gas door de Melkweg en het nabijgelegen actieve sterrenstelsel Messier 87 stroomt. "Je laat informatie komen van de melkwegstelsel om het zwarte gat te vertellen wat het moet doen, en dan laat je de informatie van het zwarte gat teruggaan en de melkweg vertellen wat het moet doen, "zei Narayan. "Het is een lus die rond en rond en rond gaat."
De simulaties moeten het stroompatroon van het diffuse gas in en rond sterrenstelsels helpen verduidelijken. (Verdere observaties van het circumgalactische medium door de James Webb Space Telescope zullen ook helpen.) "Dat is een cruciaal onderdeel van dit hele ecosysteem," zei Quataert. "Hoe krijg je het gas naar het zwarte gat om alle energie die er weer uitgaat te drijven?"
Cruciaal is dat in het nieuwe schema alle inputs en outputs tussen simulaties van verschillende schalen consistent moeten zijn, waardoor er minder wijzerplaten hoeven te draaien. "Als de simulatie goed is opgezet, zal het zelfconsistent beslissen hoeveel gas het zwarte gat moet bereiken," zei Narayan. "We kunnen ernaar kijken en vragen: waarom heeft het niet al het gas opgegeten? Waarom was het zo kieskeurig en nam zo weinig van het beschikbare gas?” De groep hoopt een reeks snapshots te maken van de sterrenstelsels tijdens verschillende fasen van hun evolutie.
Voor nu is veel over deze galactische ecosystemen nog steeds een vermoeden. "Het is echt een nieuw tijdperk, waarin mensen beginnen na te denken over deze overlappende scenario's," zei Yang. "Ik heb geen duidelijk antwoord, maar ik hoop dat ik dat over een paar jaar wel heb."
Noot van de redactie: Priya Natarajan is momenteel lid van de wetenschappelijke adviesraad van Quanta.
