Met behulp van de krachtige James Webb Space Telescope (JWST) hebben astronomen een opmerkelijk superzwaar zwart gat ontdekt uit een periode van de vroege kosmos die bekend staat als ‘kosmische middag’, ongeveer 4 miljard jaar na de oerknal. Deze ontdekking werpt nieuw licht op hoe deze kolossen, miljoenen of zelfs miljarden keer de massa van onze zon, tot zulke immense afmetingen uitgroeien.
Het mysterie van “kleine rode stippen”
JWST heeft een nieuwe klasse van intrigerende objecten in het vroege heelal onthuld, genaamd ‘kleine rode stippen’. Dit zijn kleine, heldere lichtvlekken die pas sinds kort kunnen worden gedetecteerd dankzij de geavanceerde infraroodmogelijkheden van JWST. Hoewel hun naam een klein formaat suggereert, is een recente vondst, bijgenaamd “BiRD” (Big Red Dot), verre van klein: hij bezit een massa die overeenkomt met 100 miljoen zonnen.
Hoe zwarte gaten glanzen
Zwarte gaten zelf zenden geen licht uit; hun intense zwaartekracht vangt alles op wat erin valt. Wanneer ze echter omringd zijn door overvloedige materie en zich actief voeden, creëren ze ongelooflijk heldere objecten die quasars worden genoemd. Het licht van deze quasars kan grote afstanden afleggen, waarbij het licht van BiRD meer dan 10 miljard jaar heeft gereisd om de aarde te bereiken.
BiRD lokaliseren
BiRD werd in hetzelfde deel van de hemel geïdentificeerd als een eerder bekende quasar, J1030+0524 (J1030), een superzwaar zwart gat dat zich al voedt met materie en zich op ongeveer 12,5 miljard lichtjaar afstand bevindt. Het onderzoeksteam van het National Institute for Astrophysics (INAF) analyseerde aanvankelijk beelden en spectra van het Near-Infrared Camera (NIRCam)-instrument van JWST, waarbij een ongebruikelijk punt van infrarood licht werd gedetecteerd dat niet was onthuld door eerdere röntgen- en radiowaarnemingen.
“Vertrekkend van de gekalibreerde beelden werd een catalogus ontwikkeld van de bronnen die in het veld aanwezig waren”, legt Federica Loiacono, teamleider en INAF-onderzoeksmedewerker uit. “Het was daar dat we BiRD opmerkten: een helder, puntachtig object, dat echter geen ster was en niet voorkwam in de bestaande röntgen- en radiocatalogi.”
Het spectrum analyseren: geheimen ontsluiten
De analyse van het BiRD-spectrum, een gedetailleerd overzicht van de golflengten van het licht, leverde cruciale informatie op. Verschillende elementen absorberen en zenden licht uit op specifieke frequenties, waardoor unieke “vingerafdrukken” in het spectrum achterblijven. Hierdoor konden onderzoekers de aanwezigheid van waterstof en helium in de omgeving van BiRD identificeren.
“We hebben duidelijke signalen gevonden van waterstof – in het bijzonder de lijn genaamd Paschen-gamma, een lichtgevende signatuur die de aanwezigheid van geïoniseerde waterstof onthult – en helium, ook zichtbaar bij absorptie,” zei Loiacono. Deze spectrale analyse leverde ook een schatting op van de afstand en massa van BiRD.
Wat maakt BiRD uniek?
Kleine rode stippen blijven over het algemeen een kosmische puzzel. Er zijn theorieën in overvloed, waaronder de mogelijkheid dat ze een nieuw type hemellichaam vertegenwoordigen dat ‘zwarte gatsterren’ wordt genoemd. Echter, de afwezigheid van sterke röntgenstraling van deze objecten is verbijsterend, aangezien vraatzuchtige zwarte gaten naar verwachting intense röntgenstraling zullen produceren. Een mogelijke verklaring is dat deze objecten nog steeds gehuld zijn in dikke omhulsels van gas en stof, die röntgenstraling absorberen terwijl ze infrarood licht doorlaten.
BiRD is vooral opmerkelijk omdat de eigenschappen ervan sterk lijken op slechts twee andere bekende kleine rode stippen die vergelijkbare spectrale kenmerken vertonen. Dit suggereert dat ze tot dezelfde familie van objecten behoren.
De evolutie van het zwarte gat heroverwegen
De ontdekking van BiRD en zijn familie vereist mogelijk een herbeoordeling van de manier waarop superzware zwarte gaten groeien en evolueren. Eerdere berekeningen suggereerden dat deze objecten ongeveer 11 miljard jaar geleden minder gebruikelijk zouden zijn geworden. De berekeningen van dit team duiden echter op een verrassende overvloed aan kleine rode stippen tijdens de ‘kosmische middag’, wat deze veronderstelling in twijfel trekt.
“De uitdaging is nu om het onderzoek uit te breiden naar een groter aantal nabijgelegen LRD’s, die we gedetailleerder kunnen bestuderen dan afgelegen, om een completer beeld te krijgen,” concludeerde Loiacono. “JWST heeft een nieuwe grens geopend in de extragalactische astrofysica, door objecten te onthullen waarvan we niet eens vermoedden dat ze bestonden, en we staan nog maar aan het begin van dit avontuur.”
De ontdekking van BiRD onderstreept de kracht van de James Webb-ruimtetelescoop bij het onthullen van voorheen onzichtbare details over het vroege universum en zijn bewoners, wat aanleiding geeft tot een dieper begrip van de vorming en evolutie van massieve zwarte gaten.
