Superzwaar zwart gat -
Supermassive black hole

Van Wikipedia, de gratis encyclopedie

Dit is de eerste directe afbeelding van een superzwaar zwart gat in de galactische kern van Messier 87 . Het toont radiogolfemissie van een verwarmde accretiering die rond het object draait op een gemiddelde afstand van
350  AU
, of tien keer groter dan de baan van Neptunus rond de zon. Het donkere centrum is de gebeurtenishorizon en zijn schaduw. De afbeelding werd in 2019 vrijgegeven door de Event Horizon Telescope Collaboration.
.

Twee superzware zwarte gaten zijn rechtstreeks in beeld gebracht door de Event Horizon Telescope : het zwarte gat in het gigantische elliptische sterrenstelsel Messier 87 en het zwarte gat in het centrum van de Melkweg .

Beschrijving

.

Superzware zwarte gaten hebben fysieke eigenschappen die ze duidelijk onderscheiden van classificaties met een lagere massa. Ten eerste zijn de getijkrachten in de buurt van de waarnemingshorizon aanzienlijk zwakker voor superzware zwarte gaten. De getijkracht op een lichaam aan de waarnemingshorizon van een zwart gat is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de massa van het zwarte gat: een persoon aan de waarnemingshorizon van een 10 miljoen M zwart gat ervaart ongeveer dezelfde getijkracht tussen hoofd en voeten als een persoon op het aardoppervlak. In tegenstelling tot zwarte gaten met stellaire massa , zou men geen significante getijdenkracht ervaren tot zeer diep in het zwarte gat. Bovendien is het enigszins contra-intuïtief om op te merken dat de gemiddelde dichtheid van een SMBH binnen zijn waarnemingshorizon (gedefinieerd als de massa van het zwarte gat gedeeld door het ruimtevolume binnen zijn Schwarzschild-straal ) minder kan zijn dan de dichtheid van water . Dit komt omdat de straal van Schwarzschild recht evenredig is met zijn massa . Aangezien het volume van een bolvormig object (zoals de waarnemingshorizon van een niet-roterend zwart gat) recht evenredig is met de derde macht van de straal, is de dichtheid van een zwart gat omgekeerd evenredig met het kwadraat van de massa, en dus hoger massa zwarte gaten hebben een lagere gemiddelde dichtheid .

AU is .

Geschiedenis van onderzoek

Het verhaal over de ontdekking van superzware zwarte gaten begon met het onderzoek door Maarten Schmidt van de radiobron 3C 273 in 1963. Aanvankelijk dacht men dat dit een ster was, maar het spectrum bleek raadselachtig. Er werd vastgesteld dat het waterstofemissielijnen waren die rood waren verschoven , wat aangeeft dat het object zich van de aarde af bewoog. De wet van Hubble toonde aan dat het object zich op enkele miljarden lichtjaren afstand bevond en dus het energie-equivalent van honderden sterrenstelsels moet uitstralen. De snelheid van lichtvariaties van de bron die een quasi-stellair object of quasar wordt genoemd, suggereerde dat het emitterende gebied een diameter van één parsec of minder had. In 1964 waren vier van dergelijke bronnen geïdentificeerd.

In 1963 stelden Fred Hoyle en WA Fowler het bestaan ​​van waterstofbrandende superzware sterren (SMS) voor als verklaring voor de compacte afmetingen en hoge energie-output van quasars. Deze zouden een massa hebben van ongeveer

10 5109 M
. Richard Feynman merkte echter op dat sterren boven een bepaalde kritische massa dynamisch onstabiel zijn en zouden instorten tot een zwart gat, tenminste als ze niet-roterend waren. Fowler stelde toen voor dat deze superzware sterren een reeks van instortings- en explosieoscillaties zouden ondergaan, waarmee het energie-outputpatroon werd verklaard. Appenzeller en Fricke (1972) bouwden modellen van dit gedrag, maar ontdekten dat de resulterende ster nog steeds zou instorten, en concludeerden dat een niet-roterende ster
0,75
×
10 6  M
SMS "kan niet ontsnappen aan de ineenstorting van een zwart gat door zijn waterstof door de CNO-cyclus te verbranden ".

.

in 1988.

Donald Lynden-Bell en Martin Rees veronderstelden in 1971 dat het centrum van de Melkweg een enorm zwart gat zou bevatten. Sagittarius A* werd ontdekt en benoemd op 13 en 15 februari 1974 door astronomen Bruce Balick en Robert Brown met behulp van de Green Bank Interferometer van het National Radio Astronomy Observatory . Ze ontdekten een radiobron die synchrotronstraling uitzendt ; het bleek dicht en onbeweeglijk te zijn vanwege zijn zwaartekracht. Dit was dan ook de eerste aanwijzing dat er een superzwaar zwart gat bestaat in het centrum van de Melkweg.

die was beperkt tot een straal van 0,13 parsec. Hun baanbrekende onderzoek wees uit dat een zwerm zwarte gaten met zonnemassa binnen een straal van deze kleine niet lang zou overleven zonder botsingen te ondergaan, waardoor een superzwaar zwart gat de enige levensvatbare kandidaat was. Deze waarneming, die de eerste bevestiging van superzware zwarte gaten gaf, ging vergezeld van de ontdekking van de sterk verbrede, geïoniseerde ijzeren Kα-emissielijn (6,4 keV) van het sterrenstelsel MCG-6-30-15. De verbreding was te wijten aan de gravitationele roodverschuiving van het licht toen het ontsnapte van slechts 3 tot 10 Schwarzschild-stralen uit het zwarte gat.

Op 10 april 2019 heeft de Event Horizon Telescope -samenwerking de eerste afbeelding op horizonschaal vrijgegeven van een zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel Messier 87.

In februari 2020 rapporteerden astronomen dat een holte in de Ophiuchus Supercluster , afkomstig van een superzwaar zwart gat, het resultaat is van de grootste bekende explosie in het heelal sinds de oerknal .

In maart 2020 suggereerden astronomen dat extra subringen de fotonenring zouden moeten vormen , wat een manier voorstelde om deze handtekeningen beter te detecteren in de eerste afbeelding van een zwart gat.

Vorming

De oorsprong van superzware zwarte gaten blijft een open onderzoeksveld. Astrofysici zijn het erover eens dat zwarte gaten kunnen groeien door aanwas van materie en door te versmelten met andere zwarte gaten. Er zijn verschillende hypothesen voor de vormingsmechanismen en initiële massa's van de voorlopers, of "zaden", van superzware zwarte gaten. Onafhankelijk van het specifieke formatiekanaal voor het zwart-gatzaad, zou het, gegeven voldoende massa in de buurt, kunnen aangroeien tot een zwart gat met gemiddelde massa en mogelijk een SMBH als de accretiesnelheid aanhoudt.

De vroege voorouderzaden kunnen zwarte gaten zijn van tientallen of misschien honderden zonnemassa's die zijn achtergelaten door de explosies van massieve sterren en groeien door aanwas van materie. Een ander model omvat een dichte stellaire cluster die de kern instort, aangezien de negatieve warmtecapaciteit van het systeem de snelheidsspreiding in de kern tot relativistische snelheden drijft.

Vóór de eerste sterren konden grote gaswolken instorten tot een " quasi-ster ", die op zijn beurt zou instorten tot een zwart gat van ongeveer 20  M . Deze sterren kunnen ook zijn gevormd door halo's van donkere materie die door de zwaartekracht enorme hoeveelheden gas aanzuigen, wat dan superzware sterren zou opleveren met tienduizenden zonnemassa's. De "quasi-ster" wordt onstabiel voor radiale verstoringen vanwege de productie van elektron-positronenparen in zijn kern en zou direct in een zwart gat kunnen instorten zonder een supernova - explosie (die het grootste deel van zijn massa zou uitstoten, waardoor het zwarte gat niet zo snel zou kunnen groeien) ).

Een meer recente theorie stelt dat SMBH-zaden werden gevormd in het zeer vroege heelal, elk door de ineenstorting van een superzware ster met een massa van ongeveer 100.000 zonsmassa's.

genoemd .

Artistieke impressie van de enorme uitstroom uit de quasar SDSS J1106+1939
Artistieke illustratie van een melkwegstelsel met stralen van een superzwaar zwart gat.

Ten slotte zouden oerzwarte gaten direct na de oerknal direct door externe druk kunnen zijn geproduceerd. Deze oer-zwarte gaten zouden dan meer tijd hebben dan elk van de bovenstaande modellen om aan te groeien, waardoor ze voldoende tijd hebben om superzware afmetingen te bereiken. De vorming van zwarte gaten door de dood van de eerste sterren is uitgebreid bestudeerd en bevestigd door waarnemingen. De andere hierboven genoemde modellen voor de vorming van zwarte gaten zijn theoretisch.

De vorming van een superzwaar zwart gat vereist een relatief klein volume van zeer dichte materie met een klein impulsmoment . Normaal gesproken houdt het accretieproces in dat een grote initiële hoeveelheid impulsmoment naar buiten wordt getransporteerd, en dit lijkt de beperkende factor te zijn in de groei van een zwart gat. Dit is een belangrijk onderdeel van de theorie van accretieschijven . Gasaanwas is de meest efficiënte en ook de meest opvallende manier waarop zwarte gaten groeien. Het grootste deel van de massale groei van superzware zwarte gaten vindt plaats door episodes van snelle gasaanwas, die waarneembaar zijn als actieve galactische kernen of quasars. Waarnemingen laten zien dat quasars veel vaker voorkwamen toen het heelal jonger was, wat erop wijst dat superzware zwarte gaten zich vroeg vormden en groeiden. Een belangrijke beperkende factor voor theorieën over de vorming van superzware zwarte gaten is de waarneming van verre lichtgevende quasars, die erop wijzen dat superzware zwarte gaten van miljarden zonnemassa's al waren gevormd toen het heelal minder dan een miljard jaar oud was. Dit suggereert dat superzware zwarte gaten heel vroeg in het heelal zijn ontstaan, in de eerste massieve sterrenstelsels.

Artistieke impressie van sterren geboren in wind uit superzware zwarte gaten.

Er is een bovengrens aan hoe grote superzware zwarte gaten kunnen groeien. Zogenaamde ultrazware zwarte gaten (UMBH's), die minstens tien keer zo groot zijn als de meeste superzware zwarte gaten, met een massa van 10 miljard zonsmassa's of meer, lijken een theoretische bovengrens te hebben van ongeveer 50 miljard zonsmassa's, aangezien alles daarboven vertraagt ​​de groei tot een kruipgang (de vertraging begint meestal met ongeveer 10 miljard zonsmassa's) en zorgt ervoor dat de onstabiele accretieschijf rond het zwarte gat samenvloeit tot sterren die eromheen draaien.

Verre superzware zwarte gaten, zoals J0313-1806 en ULAS J1342+0928 , zijn moeilijk uit te leggen zo kort na de oerknal. Sommigen veronderstellen dat ze afkomstig kunnen zijn van een directe ineenstorting van donkere materie met zelfinteractie. Een kleine minderheid van bronnen beweert dat ze het bewijs kunnen zijn dat het heelal het resultaat is van een oerknal in plaats van een oerknal, waarbij deze superzware zwarte gaten vóór de oerknal zijn gevormd.

Activiteit en galactische evolutie

genoemd .