Extreem oud zwart gat, aan begin van het heelal

Astronomie De ontdekking van een extreem ver zwart gat geeft astronomen nieuwe inzichten in de vroege evolutie van het heelal.

De radiotelescopen van NOEMA op 2550 meter hoogte in de Franse Alpen. Foto IRAM

Astronomen hebben een kolossaal zwart gat ontdekt op een recordafstand van de aarde. Het bevindt zich in het hart van een sterrenstelsel dat 13 miljard lichtjaar van ons verwijderd is. De ontdekking geeft een kijkje in het heelal toen dit ‘pas’ 690 miljoen jaar bestond.

Het zwarte gat, dat naar schatting 800 miljoen keer zoveel massa heeft als onze zon, maakt deel uit van een zogeheten quasar. Dat is de term die astronomen gebruiken voor de extreem heldere kern zoals sommige – zeer ver van ons verwijderde – sterrenstelsels die vertonen.

De nu ontdekte quasar, die de aanduiding J1342+0928 heeft gekregen, kwam boven water bij een langlopend zoekprogramma naar verre quasars. Ook de vorige recordquasar is in het kader daarvan ontdekt, maar dat is wel al vijf jaar geleden.

Heel zeldzaam

De Nederlandse astronoom Bram Venemans, werkzaam bij het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg (Duitsland), maakt deel uit van het team dat de nieuwe recordquasar heeft opgespoord. Hij legt uit waarom de zoektocht naar extreem verre quasars zo’n tijdrovend proces is. „Het grootste probleem is dat deze objecten heel zeldzaam zijn: verspreid over de hele hemel zullen er naar schatting een stuk of honderd te vinden zijn”, zegt Venemans. „Je moet dus sowieso een flink stuk hemel afspeuren om zo’n object te vinden. En dat betekent dat je afhankelijk bent van grote surveys.”

De quasars die bij zulke surveys worden opgespoord, zijn vooral herkenbaar aan hun ‘kleur’. De intense ultraviolette straling die zij uitzenden, wordt – door de uitdijing van het heelal – tijdens de lange reis door de ruimte opgerekt tot infraroodstraling. Concreet betekent dit dat eventuele quasars herkenbaar zijn aan het feit dat ze op infrarode golflengten waarneembaar zijn, terwijl er op zichtbare golflengten niets te zien is.

Dit biedt de mogelijkheid om de vele miljoenen hemelobjecten die bij een grote survey zijn vastgelegd via een geautomatiseerd proces te reduceren tot een duizendtal quasarkandidaten. „En die moet je dan stuk voor stuk nog een keer waarnemen, om hun afstanden te bepalen”, aldus Venemans.

Impressie van de recordquasar J1342+0928, op 13 miljard lichtjaar afstand van de aarde.

Illustratie Carnegie Institution for Science

Er zijn sterke aanwijzingen dat de ‘motor’ van een quasar bestaat uit een superzwaar zwart gat dat materie uit zijn omgeving aantrekt. Daarbij vormt zich een ziedend hete gasschijf rond het zwarte gat die grote hoeveelheden straling uitzendt. Onderzoek van deze straling stelt astronomen in staat om een schatting te maken van de massa van het zwarte gat, die in dit geval dus ongeveer 800 miljoen zonmassa’s bedraagt.

Diezelfde straling kan ook worden benut om meer te weten te komen over de eigenschappen van het heelal op het moment dat de quasar de straling uitzond. „Een quasar is een baken dat door alle materie tussen hem en de aarde heen schijnt”, legt Venemans uit. „En die tussenliggende materie laat sporen achter in het spectrum van de quasar.”

In het licht van quasar J1342+0928 zijn nu duidelijke sporen ontdekt van neutraal waterstofgas. Bij nabijere quasars, die een beeld geven van een later moment in de kosmische geschiedenis, is dat veel minder het geval. Dat bewijst dat de zogeheten reïonisatie van het heelal 690 miljoen jaar na de oerknal nog niet was volbracht.

Reïonisatie

Volgens het oerknalmodel was het heelal ongeveer 380.000 jaar na de oerknal voldoende afgekoeld om waterstofatomen te vormen. De meeste waterstof in het huidige heelal is echter geïoniseerd – gesplitst in losse protonen en elektronen – net als kort na de oerknal. Deze ‘reïonisatie’ wordt toegeschreven aan de energierijke ultraviolette straling van de eerste sterren en van de hete gasschijven rond de eerste zwarte gaten die zich in het heelal hebben gevormd.

De waarnemingen van J1342+0928 laten zien dat 690 miljoen jaar na de oerknal nog lang niet alle waterstofatomen waren ‘afgebroken’. Dat is goed nieuws voor de theoretische modellen die voorspellen dat de reïonisatie relatief laat heeft plaatsgevonden.

Maar het sterrenstelsel waar de verre quasar deel van uitmaakt stelt astronomen wel voor een nieuw vraagstuk. Uit vervolgwaarnemingen met NOEMA, een telescoop in de Franse Alpen die millimeterstraling detecteert, en de VLA-radiotelescoop in de New Mexico (VS), blijkt namelijk dat het stelsel rijk is aan zware chemische elementen. Bij de oerknal kunnen deze elementen niet zijn gevormd: hun oorsprong ligt in het inwendige van sterren. „Dat betekent dat er in dit jonge stelsel al heel veel sterren moeten zijn gevormd”, zegt Venemans. „En de vraag is hoe dat kan.”

De resultaten van het onderzoek van quasar J1342+0928 en het omringende sterrenstelsel zijn woensdag gepubliceerd in de tijdschriften Nature en Astrophysical Journal Letters.

Correctie (8/12): In een eerdere versie van dit stuk stond dat de waarnemingen van J1342+0928 laten zien dat 690 miljoen jaar geleden nog lang niet alle waterstofatomen waren ‘afgebroken’. Dat is verbeterd in 690 miljoen jaar na de oerknal .