De vondst van de oudst bekende röntgenquasar

In een nieuwe studie verschenen in het tijdschrift Nature Astronomy identificeerden Natarajan en collega's van Harvard en Princeton een hemellichaam, bekend als UHZ1, als de hoogste (of oudste) bekende "roodverschuiving" röntgenquasar in het universum. Een afzonderlijke studie, die zal worden gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters, geeft een diepgaande interpretatie van de bevinding.

Image

Een quasar is een lichtgevend, superzwaar zwart gat. De helderheid is afkomstig van oververhit gas dat warmtestraling uitzendt over het zichtbare spectrum en daarbuiten wanneer dat gas in het zwarte gat valt.

De golflengte van het licht afkomstig van verre objecten, wordt uitgerokken tot langere rodere golflengten wanneer het ons bereikt, en wordt gekwantificeerd door een getal dat de roodverschuiving wordt genoemd; een hogere roodverschuiving duidt op een ouder object waarvan het licht een grotere afstand heeft afgelegd om bij de aarde te komen.

Volgens de Nature Astronomy-studie heeft UHZ1 een roodverschuiving van 10,1, wat suggereert dat het licht van UHZ1 13,72 miljard lichtjaar nodig heeft om de aarde te bereiken.

"Het is opwindend om de aanwezigheid van een superzwaar zwart gat te kunnen onthullen, dat zich slechts 450 miljoen jaar na de oerknal in het centrum van een sterrenstelsel bevindt", zegt Natarajan, hoogleraar astronomie en natuurkunde aan de Faculteit der Letteren en Wetenschappen van Yale en voorzitter van de afdeling Astronomie.

"NASA's Chandra-ruimtetelescoop detecteerde röntgenstraling van deze verre quasar, die een buitenmaats zwart gat in het centrum herbergt."

Afgezien van zijn betekenis als de oudst bekende röntgenquasar, biedt UHZ1 overtuigend bewijs dat het vroege universum is "bezaaid" met “zaden” van zware zwarte gaten met grote geboortemassa's, waarschijnlijk gevormd door directe ineenstorting - een concept dat is ontwikkeld door Natarajan en haar medewerkers en dat de afgelopen jaren aan populariteit heeft gewonnen onder astrofysici.

Eerder werd gedacht dat zwarte gaten alleen konden ontstaan uit "lichtzaden" die ontstonden in de nasleep van exploderende sterren. Maar er was een timingprobleem met die theorie - het liet niet genoeg tijd over voor zwarte gaten om uit te groeien tot de kolossen die astronomen nu steeds verder terug in de tijd kunnen observeren.

Natarajan van Yale kwam met een andere theorie. In artikelen die in 2006 en 2007 werden gepubliceerd, ontwikkelde ze een nieuw model voor de vorming van zaden voor 'zware' zwarte gaten die zich konden vormen in sterrenstelsels waar stervorming werd onderdrukt - satellietstelsels dicht bij sterrenstelsels waar de eerste sterren zich vormden.

In dit model zouden grote gasschijven in de satellietstelsels kunnen instorten tot zware zwarte gaten om dan snel samente smelten met hun moederstelsels.

In 2017 leidde Natarajan een studie met haar Yale-onderzoeksgroep die suggereerde dat deze superzware zwarte gaten unieke eigenschappen zouden hebben en waarneembaar zouden zijn in het universum met hoge roodverschuiving - met hulp van de toen nog niet gelanceerde (en nu operationele) James Webb Space Telescope (JWST).

Natarajan voorspelde dat melkwegstelsels met overmassieve zwarte gaten waarbij de centrale zwarte gaten zwaarder wegen dan de sterren in hun gaststerrenstelsels, als röntgenquasars zouden moeten gezien worden door zowel de JWST als het Chandra X-ray Observatory.

Natarajan maakte zelfs melding van mogelijke kandidaat-locaties voor superzware zwarte gaten met een hoge roodverschuiving, waaronder een plek achter kosmische gravitatielenzen, zoals de cluster van sterrenstelsels met de naam Abell 2744.

"UHZ1 is de eerste kandidaat die overeenkomt met al onze voorspelde eigenschappen voor deze voorbijgaande klasse van superzware zwarte gaten," zei Natarajan.

Zes jaar later is de voorspelling bevestigd met waarnemingen.

Een team onder leiding van Akos Bogdan van het Harvard Smithsonian Center for Astrophysics en Andy Goulding van Princeton combineerde recente gegevens van het Chandra X-ray Observatory en JWST om achter sterrenstelsel Abell 2744 te kijken. Ze gebruikten een methode die gravitationele lensing wordt genoemd - een ander aandachtspunt van Natarajan's theoretisch onderzoek - en behandelden Abell 2744 als een vergrootglas om nog dieper in de kosmos te kijken.

Daar vonden ze het 'zware zaad' van Natarajan, de oudst bekende röntgenquasar.

"JWST hielp ons dit extreem verre sterrenstelsel te vinden, en toen onthulden diepe Chandra-waarnemingen een röntgenhelder superzwaar zwart gat in het centrum," zei Bogdan. "Het combineren van de unieke multi-golflengtemogelijkheden van NASA's ruimtetelescopen maakte deze ontdekking mogelijk."

Goulding voegde eraan toe: "UHZ1 is misschien slechts het topje van de ijsberg. De James Webb Space Telescope heeft een nieuw venster geopend op het vroege heelal. Het zal ons ongetwijfeld helpen om meer UHZ1's te vinden en uiteindelijk te begrijpen of te zware zwarte gaten gemeengoed waren."

Natarajan zei dat er nu steeds meer bewijs is dat de natuur waarschijnlijk zaden van zwarte gaten produceert via meerdere scenario's, en het heeft jaren van werk gevergd om de details van deze extra kanalen te modelleren, om aan te geven waar en hoe ze haalbaar te vinden zijn.

"En nu zien we overtuigend eerste bewijs," zei Natarajan. "Dit is een spannende kruising van onderwerpen, een hoogtepunt van alles waar ik aan heb gewerkt."