Beeld genomen door de Hubble ruimtetelescoop van het dwergsterrenstelsel NGC 1569, dat nieuwe sterren vormt. NASA/A. Aloisi (STScI/ESA)/Public domain

Zwarte gaten remmen de groei van dwergsterrenstelsels af

Krachtige winden die aangedreven worden door supermassieve zwarte gaten in het centrum van dwergsterrenstelsels, hebben een grote impact op de evolutie van die sterrenstelsels doordat ze de vorming van nieuwe sterren onderdrukken. Dat hebben astronomen van de University of California, Riverside, ontdekt.

Dwergsterrenstelsels zijn kleine sterrenstelsels die 100 miljoen tot enkele miljarden sterren bevatten. Ter vergelijking, onze Melkweg bevat 200 tot 400 miljard sterren. Dwergsterrenstelsels zijn het meest voorkomende type sterrenstelsel in het universum en vaak zitten ze in een baan rond grotere sterrenstelsels. 

Supermassieve zwarte gaten zijn zwarte gaten met een massa van enkele honderdduizenden tot miljarden keren de massa van de zon. In het centrum van bijna alle grote sterrenstelsels blijkt een supermassief zwart gat te zitten, in het geval van onze Melkweg gaat het hoogstwaarschijnlijk om Sagittarius A*.

Het team van de drie astronomen was verrast door de kracht van de winden die ze waarnamen. "We verwachtten dat we waarnemingen met een veel hogere resolutie en gevoeligheid zouden nodig hebben, en we waren van plan om die te verkrijgen als follow-up van onze eerste waarnemingen", zei Gabriela Canalizo. "Maar we konden de sporen klaar en duidelijk zien in de eerste waarnemingen. De winden waren krachtiger dan we verwacht hadden", zo zei ze in een persbericht van University of California, Riverside. Canalizo is professor natuurkunde en astronomie aan de universiteit en de leider van het onderzoeksteam.

Canalizo zei dat astronomen al enkele tientallen jaren vermoedden dat supermassieve zwarte gaten in het centrum van grote sterrenstelsels een diepgaande invloed hebben op de manier waarop die sterrenstelsels groeien en ouder worden. "Onze bevindingen tonen nu aan dat hun invloed net zo ingrijpend, of zelfs nog meer ingrijpend, kan zijn op dwergsterrenstelsels in het universum." 

Dwergsterrenstelsel met 'actieve galactische kernen'  uit de gegevens van de Sloan Digital Sky Survey. SDSS

Uitstroom aan hoge snelheden van geïoniseerd gas

De onderzoekers, professor Canalizo, assistent-professor natuurkunde en astronomie Laura V. Sales en doctoraalstudent in het labo van Canalizo Christina M. Manzano-King, gebruikten een deel van de data van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), die meer dan 35 procent van de hemel in kaart brengt, om 50 dwergsterrenstelsels te identificeren. 

29 van die sterrenstelsels vertoonden kenmerken die erop wezen dat ze een supermassief zwart gat in hun centrum hadden, en 6 van deze 29 sterrenstelsels vertoonden aanwijzingen dat er winden - meer bepaald een uitstroom aan hoge snelheden van geïoniseerd gas -  uit hun actieve zwarte gaten vloeiden. 

"Met de Keck telescopen in Hawaï waren we in staat niet enkel de winden waar te nemen, maar ook bepaalde eigenschappen van deze winden te meten, zoals hun kinematica [bewegingen], hun verdeling en hun krachtbron - de eerste keer dat dit gedaan is", zei Canalizo. "We vonden aanwijzingen dat deze winden mogelijk de mate waarin de sterrenstelsels in staat zijn sterren te vormen, veranderen."

Manzano-King, de eerste auteur van de onderzoeksstudie, legde uit dat veel onbeantwoorde vragen over de evolutie van sterrenstelsels, begrepen kunnen worden door dwergsterrenstelsels te bestuderen.   

Van links naar rechts de Keck I en II telescopen, de NASA Infrared Telescope Facility en de Canda-France telescoop. op het Mauna Kea Observatory op Hawaï. Robert Linsdell/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Geen stellaire processen

"Grotere sterrenstelsels worden vaak gevormd als dwergsterrenstelsels samensmelten", zei Manzano-King. "Vandaar dat dwergsterrenstelsels nuttig zijn om te begrijpen hoe sterrenstelsels evolueren. Dwergsterrenstelsels zijn klein omdat ze, nadat ze gevormd werden, op een of andere manier vermeden hebben samen te smelten met andere sterrenstelsels. Ze dienen dus als fossielen door te laten zien hoe het vroege universum er uit zag. Dwergsterrenstelsels zijn de kleinste sterrenstelsels waarin we voor de eerste keer op een directe manier winden zien - het gas stroomt aan snelheden tot wel 1.000 kilometer per seconde." 

Manzano-King legde uit dat als materiaal in het zwarte gat valt, het verhit wordt door de wrijving en de sterke zwaartekrachtvelden, en dan stralingsenergie vrijgeeft. Deze energie duwt het aanwezige gas naar buiten, van het centrum van het sterrenstelsel naar de intergalactische ruimte - de ruimte tussen sterrenstelsels. 

"Wat interessant is, is dat deze winden uitgestoten worden door actieve zwarte gaten in de 6 dwergsterrenstelsels in plaats van door stellaire processen zoals supernova's", zo zei ze. "Winden die voortkomen uit stellaire processen komen algemeen voor in dwergsterrenstelsels en vormen het overheersende proces dat de hoeveelheid gas regelt die beschikbaar is voor de vorming van sterren in dwergsterrenstelsels."

Het eerste beeld van een supermassief zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel, in dit geval het elliptische sterrenstelsel Messier 87 of M87.

Positieve of negatieve impact op stervorming

Astronomen denken dat als de wind die afkomstig is van een zwart gat, naar buiten wordt geduwd, hij het gas voor zich uit samenduwt, wat kan leiden tot een toename van de vorming van sterren. Maar als al het gas uit het centrum van het sterrenstelsel wordt verdreven, is er geen gas meer beschikbaar en kan de vorming van sterren afnemen. En het lijkt erop dat dat laatste aan het gebeuren is in de 6 dwergsterrenstelsels die de onderzoekers geïdentificeerd hebben. 

"In deze 6 gevallen heeft de wind een negatieve impact op de vorming van sterren", zei Sales. "In theoretische modellen over de vorming en de evolutie van sterrenstelsels is de impact van zwarte gaten in dwergsterrenstelsels niet opgenomen. We zien echter bewijzen voor een onderdrukking van de vorming van sterren in deze sterrenstelsels. Onze bevindingen tonen aan dat de modellen voor de vorming van sterrenstelsels zwarte gaten moeten opnemen als belangrijke, mogelijk zelfs dominante, regulatoren van de vorming van sterren in dwergsterrenstelsels."

De onderzoekers zijn nu van plan om de massa en de impuls - het product van de massa en de snelheid - van de gasuitstoot in de dwergsterrenstelsels te bestuderen. 

"Dat zou de theoretici die afhankelijk zijn van dergelijke data om modellen op te stellen, beter moeten informeren", zei Manzano-King. "Deze modellen leren op hun beurt de waarnemingsastronomen precies hoe de winden de dwergsterrenstelsels beïnvloeden. We zijn ook van plan om systematisch een groter staal van de Sloan Digital Sky Survey te doorzoeken om dwergsterrenstelsels te identificeren met een uitstroom die zijn oorsprong vindt in actieve zwarte gaten."

De studie van Canalizo, Sales en Manzano-King is gepubliceerd in The Astrophysical Journal. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de University of California, Riverside.