Met behulp van een nieuw computermodel hebben astronomen vastgesteld dat het zwarte gat in het centrum van het M87-sterrenstelsel minstens twee keer zo groot is als eerder werd gedacht. Met een gewicht van 6,4 miljard keer de massa van de zon, is dit het meest massieve zwarte gat tot nu toe gemeten, en dit nieuwe model suggereert dat de geaccepteerde zwarte gatmassa's in andere grote nabijgelegen sterrenstelsels mogelijk met vergelijkbare hoeveelheden afwijken. Dit heeft gevolgen voor theorieën over hoe sterrenstelsels zich vormen en groeien, en kan zelfs een al lang bestaande astronomische paradox oplossen.
Astronomen Karl Gebhardt van de Universiteit van Texas in Austin en Jens Thomas van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics hebben hun bevindingen maandag op de American Astronomical Society-conferentie in Pasadena, Californië, gedetailleerd beschreven.
Om te proberen te begrijpen hoe sterrenstelsels zich vormen en groeien, beginnen astronomen met basisinformatie over de sterrenstelsels van vandaag, zoals waaruit ze zijn gemaakt, hoe groot ze zijn en hoeveel ze wegen. Astronomen meten deze laatste categorie, de massa van de melkwegstelsels, door de snelheid van sterren die in een baan rond de melkweg draaien te klokken.
Onderzoek naar de totale massa is belangrijk, zei Thomas, maar 'het cruciale punt is om te bepalen of de massa zich in het zwarte gat, de sterren of de donkere halo bevindt. Je moet een geavanceerd model hebben om te kunnen ontdekken welke dat is. Hoe meer componenten je hebt, hoe ingewikkelder het model is. '
Om M87 te modelleren, gebruikten Gebhardt en Thomas een van 's werelds krachtigste supercomputers, het Lonestar-systeem aan de Universiteit van Texas in het Texas Advanced Computing Center in Austin. Lonestar is een Dell Linux-cluster met 5840 verwerkingskernen en kan 62 biljoen drijvende-kommabewerkingen per seconde uitvoeren. (De allernieuwste laptopcomputer van vandaag heeft twee cores en kan tot 10 miljard drijvende-kommabewerkingen per seconde uitvoeren.)
Het M87-model van Gebhardt en Jens was ingewikkelder dan eerdere modellen van de melkweg, omdat het, naast het modelleren van de sterren en het zwarte gat, rekening houdt met de 'donkere halo' van het sterrenstelsel, een bolvormig gebied rond een melkwegstelsel dat zich uitstrekt tot voorbij zijn hoofd zichtbare structuur, die de mysterieuze 'donkere materie' van het sterrenstelsel bevat.
"In het verleden hebben we de donkere halo altijd als significant beschouwd, maar we hadden ook niet de computerbronnen om het te verkennen," zei Gebhardt. “We konden voorheen alleen sterren en zwarte gaten gebruiken. Gooi in de donkere halo, het wordt te computationeel duur, je moet naar supercomputers gaan. ”
Het resultaat van Lonestar was meerdere malen een massa voor het zwarte gat van de M87, wat eerdere modellen hebben gevonden. 'We hadden het helemaal niet verwacht', zei Gebhardt. Hij en Jens wilden gewoon hun model testen op 'het belangrijkste sterrenstelsel dat er is', zei hij.
Uiterst massief en handig dichtbij (in astronomische termen), M87 was een van de eerste sterrenstelsels die bijna drie decennia geleden werd voorgesteld om een centraal zwart gat te herbergen. Het heeft ook een actief straallicht dat de kern van de melkweg uitschiet terwijl materie dichter naar het zwarte gat wervelt, waardoor astronomen het proces kunnen bestuderen waarmee zwarte gaten materie aantrekken. Al deze factoren maken van M87 het "anker voor superzware onderzoeken naar zwarte gaten", zei Gebhardt.
Deze nieuwe resultaten voor M87, samen met hints van andere recente studies en zijn eigen recente telescoopwaarnemingen (publicaties in voorbereiding), doen hem vermoeden dat alle massa's van zwarte gaten voor de meest massieve sterrenstelsels worden onderschat.
Die conclusie 'is belangrijk voor hoe zwarte gaten zich verhouden tot sterrenstelsels', zei Thomas. 'Als je de massa van het zwarte gat verandert, verander je hoe het zwarte gat zich verhoudt tot de melkweg.' Er is een nauwe relatie tussen de melkweg en zijn zwarte gat waardoor onderzoekers de fysica konden onderzoeken van hoe sterrenstelsels groeien in kosmische tijd. Door de massa van het zwarte gat in de meest massieve sterrenstelsels te vergroten, zal deze relatie opnieuw worden geëvalueerd.
Hogere massa's voor zwarte gaten in nabijgelegen sterrenstelsels zouden ook een paradox kunnen oplossen met betrekking tot de massa's van quasars - actieve zwarte gaten in de centra van extreem verre sterrenstelsels, gezien in een veel vroeger kosmisch tijdperk. Quasars schijnen helder terwijl het materiaal naar binnen spiraalt en overvloedige straling afgeeft voordat het de horizon van de gebeurtenis overschrijdt (het gebied waarbuiten niets - zelfs geen licht - kan ontsnappen).
"Er is een al lang bestaand probleem omdat de massa's van de zwarte gaten in de quasar erg groot waren - 10 miljard zonsmassa's", zei Gebhardt. 'Maar in lokale sterrenstelsels hebben we nog nooit zo grote zwarte gaten gezien. Het vermoeden bestond eerder dat de quasarmassa's het bij het verkeerde eind hadden, 'zei hij. Maar "als we de massa van M87 twee of drie keer vergroten, verdwijnt het probleem bijna."
De conclusies van vandaag zijn gebaseerd op modellen, maar Gebhardt heeft ook nieuwe telescoopwaarnemingen van M87 en andere sterrenstelsels gemaakt met behulp van nieuwe krachtige instrumenten op de Gemini North Telescope en de Very Large Telescope van de European Southern Observatory. Hij zei dat deze gegevens, die binnenkort voor publicatie zullen worden ingediend, de huidige modelgebaseerde conclusies over zwart gatmassa ondersteunen.
Voor toekomstige telescoopobservaties van galactische donkere halo's, merkt Gebhardt op dat een relatief nieuw instrument aan de University of Texas in Austin's McDonald Observatory perfect is. "Als je de halo moet bestuderen om de massa van het zwarte gat te krijgen, is er geen beter instrument dan VIRUS-P", zei hij. Het instrument is een spectrograaf. Het scheidt het licht van astronomische objecten in de golflengten van de componenten en creëert een handtekening die kan worden gelezen om de afstand, snelheid, beweging, temperatuur en meer van een object te achterhalen.
VIRUS-P is goed voor halostudies omdat het spectra over een zeer groot gebied van de hemel kan nemen, waardoor astronomen de zeer lage lichtniveaus kunnen bereiken op grote afstanden van het centrum van de melkweg waar de donkere halo dominant is. Het is een prototype, gebouwd om technologie te testen die in de grotere VIRUS-spectrograaf gaat voor het aanstaande Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX).
Bronnen: AAS, McDonald Observatory
