Toevallige detectie van een snel aangroeiend zwart gat in het vroege heelal

[univers]

eROSITA-telescoop vindt slechts ongeveer 800 miljoen jaar na de oerknal een röntgenstraal helder, optisch zwak quasar-aanwasmateriaal met een extreem hoge snelheid

31 JANUARI 2023
Bij het analyseren van gegevens van de eROSITA Final Equatorial-Depth Survey hebben astronomen van MPE een zwakke röntgenbron gevonden die wordt geïdentificeerd met een zeer ver verwijderd superzwaar zwart gat dat met een extreem hoge snelheid materiaal aantrekt. Deze quasar, met een roodverschuiving van z=6,56, is veel helderder in röntgenstraling dan verwacht. Dit is de verste blinde röntgendetectie tot nu toe, van een object waarvan de straling bijna 13 miljard jaar geleden werd uitgezonden en stelt de wetenschappers in staat om de groei van zwarte gaten in het vroege heelal te onderzoeken.

Superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels kunnen tot op grote afstand worden gedetecteerd - maar alleen als ze materie aangroeien, die opwarmt en helder schijnt, waardoor het een "actieve galactische kern" (AGN) wordt. Deze 'quasars' of quasi-stellaire objecten overtreffen dan de rest van hun melkwegstelsel, maar op grote afstanden zijn ze niettemin moeilijk te detecteren en uiterst zeldzaam. Tot op heden zijn slechts ongeveer 50 quasars met roodverschuiving z>5,7, toen het heelal minder dan een miljard jaar oud was, gedetecteerd in röntgenstraling.


Een nieuwe, zwakke röntgenbron (rechts) werd gevonden in de eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS). Met behulp van optische vervolgwaarnemingen (linksboven) identificeerde het eROSITA-team dit als een quasar met een roodverschuiving van z=6,56. Quasars worden aangedreven door een centraal superzwaar zwart gat, dat met hoge snelheid materiaal aantrekt. Dit is de verste blinde röntgendetectie tot nu toe en stelt de wetenschappers in staat om de groei van zwarte gaten in het vroege heelal te onderzoeken. Collage: MPE/Clusteroorsprong

Bij het analyseren van röntgengegevens van de eROSITA Final Equatorial-Depth Survey (eFEDS), die werden genomen tijdens de prestatieverificatiefase van de eROSITA-telescoop in 2019, vond het eROSITA-team een ​​nieuwe puntbron. In samenwerking met collega's die de Subaru-telescoop gebruikten, identificeerden ze de röntgenemissie met een eerder bekende quasar J0921+0007 met een roodverschuiving van 6,56, die aanvankelijk werd ontdekt door een team dat met de Subaru-telescoop naar verre bronnen zocht. Toegewijde vervolgwaarnemingen bij infrarode golflengten toonden aan dat het zwarte gat 250 miljoen zonsmassa's heeft, een relatief lage massa voor een superzwaar zwart gat op deze afstand. Chandra-vervolgwaarnemingen bevestigden de hoge röntgenhelderheid gemeten door eROSITA, wat wijst op een zeer hoge accretiesnelheid.

"We hadden niet verwacht zo'n AGN met een lage massa al te vinden in ons allereerste mini-onderzoek met eROSITA", zegt Julien Wolf, die als onderdeel van zijn Ph.D. aan het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica (MPE). "Het is de meest afgelegen toevallige röntgendetectie tot nu toe en de eigenschappen ervan zijn nogal atypisch voor quasars met zulke hoge roodverschuivingen: het is intrinsiek zwak in zichtbaar licht, maar zeer helder in röntgenstralen."

De door eROSITA gedetecteerde quasar vertoont eigenschappen die vergelijkbaar zijn met zogenaamde narrow-line Seyfert-1-stelsels, een bepaalde klasse van actieve sterrenstelsels in het lokale heelal. Ze worden geassocieerd met superzware zwarte gaten met een massa van minder dan 100 miljoen zons, die materie in hoog tempo aangroeien, en zouden jonger kunnen zijn dan hun broers en zussen met een hogere massa.

“De jacht op dit soort zeldzame objecten heeft diepe multi-golflengtegegevens nodig die het grote röntgenonderzoeksgebied aanvullen. Gelukkig is het grootste deel van de hemel in kaart gebracht op optische en infrarode golflengten, hoewel de Subaru-gegevens in het eFEDS-gebied bijzonder diep zijn”, benadrukt Mara Salvato, woordvoerder van eROSITA.


Röntgenbeelduitsnijdingen in het gebied van J0921+0007. Het eROSITA/eFEDS-beeld staat aan de linkerkant, het hoge-resolutie Chandra-beeld aan de rechterkant

Hoewel de meeste actieve sterrenstelsels die bij hoge roodverschuivingen (dwz grote afstanden) worden gedetecteerd zwarte gaten bevatten met massa's van één tot tien miljard zonsmassa's, moeten er ook veel zijn met minder massieve zwarte gaten. Deze moeten echter met een zeer hoge snelheid materie aangroeien om helder genoeg te schijnen zodat ze überhaupt kunnen worden gedetecteerd.

Naast deze bron had het team eerder in hetzelfde veld nog een andere lichtgevende en vergelijkbare verre quasar gevonden. "eROSITA is bij uitstek geschikt voor het uitvoeren van een telling van zeldzame röntgenobjecten zoals deze krachtige quasars met hoge roodverschuiving", zegt Kirpal Nandra, directeur hoge-energiefysica bij MPE. "Dit is nu het tweede voorbeeld dat we in eFEDS hebben gevonden terwijl we er geen verwachtten".

De vroege eROSITA-gegevens zijn slechts een voorproefje van wat komen gaat. Op basis van deze vroege detecties verwachten de wetenschappers nog honderden voorbeelden te vinden met de eROSITA all-sky survey. In een poging om deze ongrijpbare populatie van nog onbekende verre quasars te vinden, heeft de groep een grootschalig programma ontwikkeld waarin de eROSITA all-sky survey wordt verkend. Dit speciale onderzoek heeft al geleid tot de ontdekking van vijf nieuwe röntgenlichtgevende quasars bij z>5,6, die in een toekomstige publicatie zullen worden gepresenteerd. Tegelijkertijd heeft een Russisch team van onderzoekers ook de eerste eROSITA-detecties met hoge roodverschuiving op het noordelijk halfrond gerapporteerd.

Objecten als deze zijn momenteel onze beste manier om de vroege vorming van zwarte gaten te begrijpen. Als de verrassende eFEDS-detecties worden bevestigd in de grotere dataset, kan dit een uitdaging vormen voor sommige evolutionaire modellen.

https://www.mpe.mpg.de/7925669/news20230131