In de jaren zeventig bevestigden wetenschappers dat radio-emissies afkomstig van het centrum van ons sterrenstelsel te wijten waren aan de aanwezigheid van een superzwaar zwart gat (SMBH). Gelegen op ongeveer 26.000 lichtjaar van de aarde tussen het sterrenbeeld Boogschutter en Schorpioen, werd dit kenmerk bekend als Boogschutter A *. Sinds die tijd zijn astronomen gaan begrijpen dat de meeste massieve sterrenstelsels een SMBH als middelpunt hebben.
Bovendien zijn astronomen gaan ontdekken dat zwarte gaten in deze sterrenstelsels worden omgeven door enorme roterende torussen van stof en gas, wat verantwoordelijk is voor de energie die ze uitstoten. Het was echter pas onlangs dat een team van astronomen, met behulp van de Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), een beeld kon vastleggen van de roterende stoffige gastorus rond het superzware zwarte gat van M77.
De studie met hun bevindingen is onlangs verschenen in de Astronomical Journal Letters onder de titel "ALMA onthult een inhomogene compacte roterende dichte moleculaire torus aan de NGC 1068 Nucleus". De studie werd uitgevoerd door een team van Japanse onderzoekers van het National Astronomical Observatory of Japan - onder leiding van Masatoshi Imanishi - met hulp van de Kagoshima University.
Zoals de meeste massieve sterrenstelsels heeft de M77 een actieve galactische kern (AGN), waar stof en gas worden geaccreteerd op zijn SMBH, wat leidt tot een hogere helderheid dan normaal. Al geruime tijd puzzelen astronomen over de merkwaardige relatie die bestaat tussen SMBH's en sterrenstelsels. Terwijl meer massieve sterrenstelsels grotere SMBH's hebben, zijn gaststelsels nog steeds 10 miljard keer groter dan hun centrale zwarte gat.
Dit roept natuurlijk vragen op over hoe twee objecten met zeer verschillende schalen elkaar rechtstreeks zouden kunnen beïnvloeden. Dientengevolge hebben astronomen geprobeerd AGN te bestuderen om te bepalen hoe sterrenstelsels en zwarte gaten samen evolueren. Omwille van hun studie voerde het team observaties met hoge resolutie uit van het centrale gebied van M77, een verjaard spiraalstelsel op ongeveer 47 miljoen lichtjaar van de aarde.
Met behulp van ALMA heeft het team het gebied rond het centrum van M77 in beeld gebracht en een compacte gasstructuur met een straal van 20 lichtjaar kunnen oplossen. Zoals verwacht ontdekte het team dat de compacte structuur rond het centrale zwarte gat van de melkwegstelsels draaide. Zoals Masatoshi Imanishi uitlegde in een ALMA-persbericht:
“Om verschillende waarnemingskenmerken van AGN's te interpreteren, zijn astronomen uitgegaan van roterende donutachtige structuren van stoffig gas rond actieve superzware zwarte gaten. Dit wordt het 'verenigde model' van AGN genoemd. De stoffige gasvormige donut ziet er echter erg klein uit. Met de hoge resolutie van ALMA kunnen we nu direct de structuur zien. ”
In het verleden hebben astronomen het centrum van M77 waargenomen, maar tot nu toe heeft niemand de roterende torus in het midden kunnen oplossen. Dit werd mogelijk gemaakt dankzij de superieure resolutie van ALMA en de selectie van moleculaire emissielijnen. Deze emissielijnen omvatten waterstofcyanide (HCN) en formylionen (HCO +), die microgolven alleen uitstralen in dicht gas, en koolmonoxide - dat microgolven onder verschillende omstandigheden afgeeft.
De waarnemingen van deze emissielijnen bevestigden een andere voorspelling van het team, namelijk dat de torus erg dicht zou zijn. 'Eerdere waarnemingen hebben de oost-west-verlenging van de stoffige gasvormige torus onthuld', zei Imanishi. "De dynamiek die blijkt uit onze ALMA-gegevens komt precies overeen met de verwachte rotatie-oriëntatie van de torus."
Hun waarnemingen gaven echter ook aan dat de distributie van gas rond een SMBH ingewikkelder is dan wat een eenvoudig verenigd model suggereert. Volgens dit model zou de rotatie van de torus de zwaartekracht van het zwarte gat volgen; maar wat Imanishi en zijn team vonden, gaf aan dat gas en stof in de torus ook tekenen vertoonden van zeer willekeurige beweging.
Dit zou een aanwijzing kunnen zijn dat de AGN in het centrum van de M77 een gewelddadige geschiedenis had, waaronder in het verleden samengaan met een klein sterrenstelsel. Kortom, de observaties van het team geven aan dat galactische fusies een aanzienlijke impact kunnen hebben op hoe AGN's zich vormen en gedragen. In dit opzicht geven hun waarnemingen van de M77s-torus al aanwijzingen over de geschiedenis en evolutie van de melkweg.
De studie van SMBH's, hoewel intensief, is ook erg uitdagend. Aan de ene kant is de dichtstbijzijnde SMBH (Sagitarrius A *) relatief stil, met slechts een kleine hoeveelheid gas erop. Tegelijkertijd bevindt het zich in het centrum van ons sterrenstelsel, waar het wordt verduisterd door tussenliggend stof, gas en sterren. Als zodanig worden astronomen gedwongen om naar andere sterrenstelsels te kijken om te bestuderen hoe SMBH's en hun sterrenstelsels naast elkaar bestaan.
En dankzij decennia van onderzoek en verbeteringen in instrumentatie beginnen wetenschappers voor het eerst een duidelijk beeld te krijgen van deze mysterieuze regio's. Door ze in detail te kunnen bestuderen, krijgen astronomen ook een waardevol inzicht in hoe zulke enorme zwarte gaten en hun ringvormige structuren in de loop van de tijd naast hun sterrenstelsels zouden kunnen bestaan.
