Zwarte gaten oorzaak vorming eerste melkwegstelsels

Het is een kip of het ei probleem. Wat was er nou eerder, het melkwegstelsel of het superzware zwarte gat in het midden? Voor beide zijn er goede argumenten. Waarnemingen van zeer vroege melkwegstelsels hebben het pleit nu beslecht. Waarmee het volgende raadsel er om schreeuwt opgelost te worden…

Deze melkwegstelsels waren 'slechts' enkele miljarden jaren oud toen hun licht ze verliet. Ze blijken al over enorme centrale zwarte gaten te beschikken. Het is duidelijk: de zwarte gaten waren er het eerst. Maar waar kwamen ze vandaan?

Deze melkwegstelsels waren 'slechts' enkele miljarden jaren oud toen hun licht ze verliet. Ze blijken al over enorme centrale zwarte gaten te beschikken. Het is duidelijk: de zwarte gaten waren er het eerst. Maar waar kwamen die vandaan?

Zwart gat veroorzaakt melkwegstelsel
Elk bekend melkwegstelsel heeft een zwaar zwart gat in het centrum, dat fel opflikkert als het sterren of kosmische gaswolken opslokt. Zwarte gaten en melkwegstelsels hebben dus iets met elkaar te maken. Waarschijnlijk veroorzaakt het ene verschijnsel het andere. Maar waarmee begon het? Volgens sommige theorieën zorgt de ophoping van materie in het centrum van een melkwegstelsel er voor dat zich na verloop van tijd zoveel massa ophoopt, dat zich een zwart gat vormt. Volgens andere theorieën is het precies andersom en zijn melkwegstelsels als het ware de accretieschijven van de zwarte gaten in het centrum.

Het pleit lijkt nu beslecht. Er zijn nu vroege melkwegstelsels ontdekt uit het prille begin van het heelal, tien miljard jaar geleden. Het heelal was toen een kwart zo oud als nu. In deze melkwegstelsels is het zwarte gat in het centrum in verhouding tot de rest van het melkwegstelsel disproportioneel groot. Het melkwegstelsel is zo klein dat het niet de materie had kunnen leveren om het zwarte gat te vormen. De conclusie is onontkoombaar. Het zwarte gat is het kosmische ei, waar de kip van het melkwegstelsel uit tevoorschijn kwam.

Mini-melkwegstelsels
Geen erg grote kip trouwens. In die tijd waren melkwegstelsels nog heel klein, ongeveer zo groot als de Magalhaese Wolken, twee dwergstelsels die nu door ons melkwegstelsel worden opgeslokt. De studie waarop hoofdauteur Trump zich heeft toegelegd is onderdeel van CANDELS, de Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey en gebruikte een krachtig nieuw instrument op de Hubble Space Telescope. De “slitless grism” (vrij vertaald: een combinatie van een prisma met een raster, waarmee een breed beeld is waar te nemen) op de W3FC infraroodcamera van Hubble verschafte gedetailleerde informatie over verschillende golflengtes licht afkomstig van deze melkwegstelsels.

Waar komen de zwarte gaten vandaan?
Omdat de Hubble ruimtetelescoop onovertroffen nauwkeurig is, lukte het de astronomen om licht van zowel het midden (het zwarte gat) als de buitenkant (de schijf) te verzamelen. Ze ontdekten iets verrassends: de onmiskenbare vingerafdruk van een centraal zwart gat. Dit is de eerste keer dat dit ontdekt is. Tot dan toe zijn alleen zwarte gaten in grote stelsels  (zoals dat van ons) ontdekt. Wat het volgende raadsel oplevert. Namelijk: waar komen die enorme zwarte gaten vandaan, en waarom vinden we ze niet in dwergstelsels in de buurt? Volgens de standaard kosmologische inflatiemodellen was de kosmos erg effen na de inflatiefase. Door welk merkwaardig proces zijn ze gevormd?

Wat is er met de zwarte gaten in dwergstelsels anno nu gebeurd?
Een mogelijkheid is dat deze melkwegstelsels de voorgangers zijn van de tegenwoordige zware melkwegstelsels zoals onze eigen Melkweg en buurstelsel Andromeda, aldus Trump. Volgens zijn collega Faber roept dit extra vragen op. Om zich anno nu te ontwikkelen tot grote stelsels, hadden de ministelsels veel sneller moeten groeien dan de huidige modellen toelaten. Als het dwergstelsels blijven, zouden de dwergstelsels van nu ook centrale zwarte gaten moeten hebben. Faber denkt daarom dat er zich een grote verzameling kleinere zwarte gaten in dwergstelsels bevindt, die nog niemand waar heeft genomen. Deze voorspelling is te testen. Dwergstelsels genoeg, bijvoorbeeld in de buurt van ons eigen melkwegstelsel. Wel zal dit lastig worden. Is dat dwergstelsel zeer arm in gas, dan valt er geen gas in het zwarte gat en geeft dat zwarte gat nauwelijks straling af.

Vraatzucht zwart gat leidt tot stervorming
Trump nam waar dat de dwergstelsels ongeveer tien keer zo snel sterren vormen als de Melkweg nu doet. Hij acht het mogelijk dat er een verband is tussen stervorming en actieve melkwegkernen (bijvoorbeeld quasars). Als er gas beschikbaar is om nieuwe sterren te vormen, kan dat gas ook het zwarte gat voeden, aldus hem. Verder bewijs voor het bestaan van zwarte gaten werd verkregen uit röntgendata van een andere ruimtetelescoop, Chandra. Beide waarnemingen richtten zich op 28 melkwegstelsels in een klein stukje hemel, het Hubble Ultra Deep Field. De data van alle 28 dwergstelsels werd samengevoegd om zo toch nog een statistisch significant resultaat te krijgen. Deze techniek wil het team later ook voor andere onderzoeken gebruiken. Waarnemingstijd op deze ruimtetelescopen is uiterst schaars en gewild. Naast Trump en Faber deden er daarom 27 anderen mee aan dit onderzoek.

Bron
Small distant galaxies host supermassive black holes, University of California (Santa Cruz), 2011
Jonathan H. Trump et al., A CANDELS WFC3 Grism Study of Emission-Line Galaxies at z~2: A Mix of Nuclear Activity and Low-Metallicity Star Formation, ArXiv.org (2011), (ook gepubliceerd in Astrophysical Letters)

Germen

Ik heb een studie tropische plantenteelt aan Wageningen Universiteit gevolgd met de wat naïeve gedachte om de wereld te verbeteren. Dat bleek achteraf niet echt zinvol - de problemen in tropische landen hebben niet zozeer met gebrekkige landbouw te maken als wel met slecht geregelde eigendomsrechten en het destructieve landbouwbeleid -dumpen- van westerse landen. Omdat de werkgelegenheid niet overhield ben ik als autodidact de IT ingegaan en heb daar vele jaren mijn brood in verdiend. Ik heb tussendoor nog een paar jaar technische natuurkunde gestudeerd aan de UT. Je verdiepen in natuurkunde is voor iedere visionair in spe aan te raden - het leert je de essentie van een ingewikkeld probleem simpel samen te vatten en leert je de enige beperkingen kennen die de natuur kent. Andere beperkingen zijn maar schijn. Ik heb deze site opgezet om zo het ernstige probleem van peak fantasy aan te pakken.

More Posts - Website

7 comments on “Zwarte gaten oorzaak vorming eerste melkwegstelsels”

  1. Alfa

    In een multiversum is het volgens mij onontkoombaar, dat nieuwe universums de materie resten van oudere versies ontmoeten. Het is een kwestie van tijd, omdat de voorraad universums wel eens oneindig zou kunnen zijn. Er komen zoveel bewijzen daarvoor boven water, die slechts het begin van een multiversum aan bewijzen vormen, dat ik geen andere visie meer volg. De andere theoriën knabbelen gestaag af, de wetenschap kabbelt gestaag voort, in de golven van dergelijke ontdekkingen.

  2. Henk Grimm

    Het probleem is wat ingewikkelder dan het bovenstaande artikel schetst. Allereerst de meldingen van waarnemingen van behoorlijk volgroeide sterrenstelsels op circa 1,5 miljard jaar na de “oerknal” (zo’n anderhalf jaar geleden in de wetenschappelijke tijdschriften). Als zowel de ene als de andere waarneming klopt, dan wordt de vraag waarom op de ene plek in het universum de kip het eerste was en op die andere plek het ei…

    Maar veel fundamenteler is de vraag hoe het dan zit met de verdeling van de energie in de ruimte. Als wij ons de ruimte voorstellen als één enorm 3D RAM (computergeheugen), dan is de mogelijkheid tot concentratie van energie binnen een gegeven volume beperkt door het binaire stelsel. De Wet tot behoud van energie is uiteraard in deze analogie gewaarborgd maar de waargenomen concentratie van energie in ons universum (bijvoorbeeld in de vorm van een zwart gat) “past” niet in onze 3D RAM.
    Maar veranderen wij ons binaire stelsel in een stelsel dat veel grotere “getallen” kan bevatten in één geheugencel, dan gaat deze analogie al aardig richting de ons bekende werkelijkheid. Uiteraard stemt dit model alleen overeen met de kwantumtheorie en niet met de ruimte-tijd van Einstein (dus het standaardmodel van de evolutie van het heelal op basis van een “big-bang” is binnen dit model – gelukkig – volledige wartaal).

    Een zwart gat – zoals wij deze kennen in de kernen van nabijgelegen sterrenstelsels – ontstaat dus door de concentratie van informatie (energie) binnen een enorm volume. De hoeveelheid energie in het universum is een constante. Dat betekent niet dat overal in de ruimte evenveel energie aanwezig is, maar wel dat iedere verplaatsing (samenvoeging of concentratie) gelijktijdig een vermindering of de-concentratie betekent (de enige mogelijkheid om de Wet tot behoud van energie overeind te houden).

    Als de informatie binnen enorme volumes geconcentreerd is in de vorm van zwarte gaten dan krijgen wij te maken met het probleem waar de informatie (energie) vandaan komt om vervolgens in de ruimte nieuwe waterstof te vormen. Ook dat is een proces van concentratie, maar dan op micro niveau. Wij zouden kunnen veronderstellen dat deze primordiale zwarte gaten slechts een deel van de totaal beschikbare informatie vertegenwoordigen en dat de huidige sterrenstelsels rond deze zwarte gaten de concentratie bevat van “de restjes” aan energie die overbleef na de vorming van de zware gaten. Als dat zo is dan is globaal de verhouding tussen de energie van zwarte gaten en de overige materie als circa 3 : 1 (bolraster). In werkelijkheid zal er geen keurige symmetrische verdeling hebben plaatsgevonden en zal deze verhouding lokaal wat groter of kleiner uitvallen.

    Conclusie: als de waargenomen “zwarte gaten” in het bovenstaande artikel inderdaad primordiaal zijn m.b.t. de overige materie in het heelal (een opvolgende cyclus van de evolutie) dan kloppen onze huidige inzichten in de eigenschappen van zwarte gaten niet. Het vraagstuk van de “donkere materie” is dan in werkelijkheid het vraagstuk van de energie-inhoud van zwarte gaten.

  3. Alfa

    Als we nou eerst het woord primordiaal eens vervangen door het synoniem oorspronkelijk, dan lijkt het al iets minder ingewikkeld beste Henk Grimm. Dat we verder aannemen, dat de hoeveelheid energie in ons universum een constante zou zijn, pakt toch anders uit in een multiversum. Wat gebeurd er wanneer de andere universa bijvoorbeeld met het onze botsen? De hoeveelheid energie is dan plotseling verdubbeld bij slechts één enkele ontmoeting. Aan de theoretische aantallen van een multiversum kunnen ook geen grenzen worden gesteld, we weten immers niet hoeveel ervan zijn, en met hoeveel daarvan we momenteel botsen.

  4. Henk Grimm

    @Alfa, het begrip “primordiaal” blijkt ook in de artikelen op deze site te staan…
    Het woord ken ik als begrip uit de klassieke filosofie. “Oorspronkelijk” dekt niet de lading.

    Je betwijfelt of de Wet tot behoud van energie wel opgaat in een multi-universum?
    De hypothese dat buiten het heelal dat wij kunnen waarnemen – ons heelal – nog meer van deze universa bestaan, is in feite slechts het duiden van een schaalvergroting van het universum. Jij denkt hier echter anders over en veronderstelt dat al deze universa een eigen ruimte-tijd continuüm bezitten (daar is geen bewijs voor). Vervolgens filosofeer je over een botsing tussen 2 van deze universa en veronderstelt dat zo’n botsing de hoeveelheid energie zal verdubbelen…

    Beide veronderstellingen – afzonderlijke ruimte-tijd continuüm per universum en de verdubbeling van energie – zijn sowieso volledig in strijd met de kwantumtheorie. Bovendien zal je dan ook moeten uitleggen welk wonder er voor heeft gezorgd dat al die verschillende heelal’s toevallig wel dezelfde natuurwetten en fenomenen bezitten. Want die hypothetische verdubbeling van energie gaat natuurlijk niet op als de natuurwetten en -fenomenen andersoortig zijn. Al deze heelal’s zijn voor elkaar – bij het bestaan van verschillende natuurwetten en -fenomenen – onderling “niet bestaand” (niet waarneembaar). Overigens hadden de klassieke Griekse filosofen dit zo’n 2500 jaar geleden al beredeneerd.

Geef een reactie