Buitengewoon, intermediair zwart gat ontdekt in nabijgelegen sterrenstelsel

"We hebben zeer goede waarnemingen van de grootste stellaire zwarte gaten met een massa tot 100 keer de zonnemassa, en van superzware zwarte gaten in het midden van sterrenstelsels die miljoenen keren de massa van onze zon hebben. Er zijn echter geen metingen van zwarte gaten die daar tussenin liggen, en dat is een grote kloof", zei Anil Seth. "Deze ontdekking vult die kloof". 

Seth is hoogleraar astronomie aan de University of Utah en de senior auteur van de studie over de ontdekking. 

Het zwarte gat zat verborgen in B023-G078, een enorme sterrenhoop in het sterrenstelsel dat het dichtst bij ons ligt, de Andromedanevel. Er werd lang gedacht dat B023-G078 een bolvormige sterrenhoop was, maar de onderzoekers stellen dat het object in de plaats daarvan een gestripte kern is. 

Gestripte kernen zijn de overblijfselen van kleine sterrenstelsels die in grotere stelsels gevallen zijn en waarvan de buitenste sterren weggerukt zijn door gravitationele krachten (zwaartekracht-krachten). Wat overblijft is een erg kleine, dichte kern die een baan omschrijft rond het grotere sterrenstelsel. En in het centrum van die kern zit dan een zwart gat. 

"We hebben eerder grote zwarte gaten gevonden in zware gestripte kernen die veel groter zijn dan B023-G078. We wisten dat er kleinere zwarte gaten moesten zitten in gestripte kernen met een kleinere massa, maar daarvoor was er nooit direct bewijs gevonden", zei Renuka Pechetti. "Ik denk dat het zo goed als een uitgemaakte zaak is dat we eindelijk een van deze objecten gevonden hebben." 

Pechetti is nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Liverpool John Moores University, ze begon met het onderzoek aan de University of Utah en ze is de hoofdauteur van de studie. 

B023-G078 stond bekend als een zware bolvormige sterrenhoop - een bolvormige verzameling sterren die sterk met elkaar verbonden zijn door de zwaartekracht. De totale massa ervan, een massa van zo'n 6,2 miljoen zonnemassa's, was echter bepaald aan de hand van slechts een enkele waarneming van het object. 

Jarenlang had Seth het vermoeden dat het object iets anders was. 

"Ik wist dat het object B023-G078 een van de zwaarste objecten in Andromeda was, en ik dacht dat het in aanmerking kon komen om een gestripte kern te zijn. Maar we hadden data nodig om dat te bewijzen. We hebben gedurende vele, vele jaren aanvragen ingediend bij verschillende telescopen om meer waarnemingen te kunnen doen, en mijn aanvragen werden altijd afgewezen", zei Seth. 

"Toen we evenwel een superzwaar zwart gat ontdekten in een gestripte kern in 2014, gaf het Gemini Observatory ons de kans om het idee te onderzoeken."   

Met hun nieuwe waarnemingen van het Gemini Observatory en beelden van de Hubble ruimtetelescoop berekenden Pechetti, Seth en het internationale team hoe de massa verdeeld was binnen het object, door een model op te stellen van het lichtprofiel ervan. 

Een bolvormige sterrenhoop heeft een kenmerkend lichtprofiel dat in de buurt van het centrum dezelfde vorm heeft als in de buitenste regionen. B023-G078 is anders. Het licht in het centrum is rond en het wordt vlakker naarmate men naar buiten toe gaat.

Ook de chemische samenstelling van de sterren verandert. De sterren in het centrum bevatten meer zware elementen dan de sterren in de buurt van de rand van het object. 

"Bolvormige sterrenhopen worden in essentie rond dezelfde tijd gevormd. Deze gestripte kernen kunnen daarentegen herhaaldelijke episodes doormaken waarin er sterren gevormd worden, als er gas in het centrum van het sterrenstelsel valt. En andere sterrenhopen kunnen in het centrum getrokken worden door de gravitationele krachten van het sterrenstelsel", zei Seth. 

"Het is een soort van stortplaats voor een boel verschillend materiaal. En dus zullen sterren in gestripte kernen ingewikkelder zijn dan in bolvormige sterrenhopen. Dat is wat we zagen in B023-G078."  

De onderzoekers gebruikten de verdeling van de massa van het object om te voorspellen hoe snel de sterren zouden moeten bewegen op om het even welk punt in de sterrenhoop en vergeleken dat met hun waarnemingen. De sterren met de hoogste snelheid zaten in een baan rond het centrum. 

Als de astronomen een model opstelden zonder een zwart gat, gingen de sterren in het centrum te traag in vergelijking met de waarnemingen. Als ze het zwarte gat aan hun model toevoegden, kregen ze snelheden die overeenstemden met de waarnemingen. Het zwarte gat is ook een bewijs dat dit object een gestripte kern is, zo stellen ze. 

De stellaire snelheden die we verkrijgen, leveren ons een direct bewijs voor het feit dat er een soort van zwarte massa pal in het centrum ligt", zei Pechetti. "Het is erg moeilijk voor bolvormige sterrenhopen om grote zwarte gaten te vormen. Maar als het gaat om een gestripte kern, dan moet er al een zwart gat aanwezig zijn, een overblijfsel van het kleinere sterrenstelsel dat in het grotere stelsel gevallen is."

De onderzoekers hopen meer gestripte kernen te kunnen observeren die mogelijk zwarte gaten met een intermediaire massa bevatten. Die bieden een gelegenheid om meer te weten te komen over de populatie van zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels met een lage massa, en om te ontdekken hoe sterrenstelsels opgebouwd worden uit kleinere bouwstenen. 

"We weten dat grote sterrenstelsels over het algemeen gevormd worden door het samensmelten van kleinere stelsels, maar deze gestripte kernen laten ons toe de details van die interacties uit het verleden te achterhalen", zei Seth. 

De studie van de onderzoekers van de University of Utah, de Liverpool John Moores University, het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, de Michigan State University, het Leibniz-Institut für Astrophysik in Potsdam, het European Space Agency, het Max-Planck-Institut für Astronomie en het  Observatoire astronomique de Strasbourg is gepubliceerd in het Astrophysical Journal. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de University of Utah.