Het geheim van de Kosmische Uil

Hoe zijn sterrenstelsels ontstaan? Waarom hebben ze zulke uiteenlopende vormen? Hoe waren elementen verdeeld over het heelal? Deze vragen helpen ons niet alleen het verleden van het heelal te begrijpen, maar werpen ook licht op de weg naar antwoorden op veel grotere vragen, zoals de toekomst van ons eigen sterrenstelsel en de mogelijkheid om leven op andere planeten te vinden. Ons belangrijkste hulpmiddel om de antwoorden op deze vragen te vinden, is de James Webb Ruimtetelescoop (JWST) de afgelopen jaren geweest, waarmee we in de diepten van de tijd kunnen kijken.

JWST biedt de mogelijkheid om de oudste sterrenstelsels te observeren, hun evolutie te vergelijken met die van nu en de typen sterren in deze oude sterrenstelsels te onderzoeken. Door spectrale observaties van duizenden sterrenstelsels beginnen we te begrijpen hoe elementen zwaarder dan waterstof zijn ontstaan en hoe deze vorming de evolutie van sterrenstelsels over miljarden jaren heeft beïnvloed.

Twee afzonderlijke studies die vorige maand werden gepubliceerd, onderzochten een opvallende structuur die ontstond door de botsing van twee ringvormige sterrenstelsels, elk ongeveer 26.000 lichtjaar in doorsnede, op een afstand van 11 miljard lichtjaar. Dit systeem, door sommige onderzoekers de "Kosmische Uil" genoemd en door anderen het "Oneindige Sterrenstelsel", is praktisch een kosmische ansichtkaart uit het heelal.

Het COSMOS-project (Cosmic Evolution Survey), een uitgebreid hemelonderzoek ondersteund door observaties op meerdere golflengten, gericht op het begrijpen van de grootschalige structuur van het heelal en de evolutie van sterrenstelsels in de loop der tijd, is een enorme onderneming die wordt uitgevoerd met bijdragen van de Hubble-ruimtetelescoop en talloze telescopen op aarde en in de ruimte. Het levert gedetailleerde gegevens op over miljoenen sterrenstelsels in een gebied ter grootte van drie volle manen aan de hemel. Het COSMOS-Web-project, dat is opgezet met bijdragen van JWST, heeft de diepste en meest gedetailleerde infraroodwaarneming van dit gebied tot nu toe gedaan. Binnen deze schat aan gegevens, binnen het COSMOS-gebied, werd het Cosmic Owl-systeem ontdekt, dat een uniek inzicht biedt in zowel grootschalige fusies van sterrenstelsels als het ontstaan van superzware zwarte gaten in het vroege heelal.

Botsende sterrenstelsels en een uniek laboratorium

Beide sterrenstelsels, die met elkaar botsten en de Kosmische Uil vormden, hebben een superzwaar zwart gat in hun centrum. Deze zwarte gaten, "actieve galactische kernen" genoemd omdat ze omringende materie gewelddadig verslinden, gloeien als de ogen van een uil. De adembenemende waarnemingen van JWST, aangevuld met gegevens van andere krachtige telescopen zoals de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en de Very Large Array (VLA), maken een gedetailleerde analyse mogelijk.

Deze botsing, die naar schatting ongeveer 38 miljoen jaar geleden plaatsvond, zal waarschijnlijk nog honderden miljoenen jaren aanhouden. Er werd ontdekt dat het moleculaire gas dat condenseerde in het gebied dat lijkt op de snavel van een uil, een enorme uitbarsting van stervorming veroorzaakte dankzij de schokgolven die door de botsing werden gegenereerd. Niet alleen de botsing zelf, maar ook radiojets, gegenereerd door geladen deeltjes die worden uitgestoten door superzware zwarte gaten in het centrum van het sterrenstelsel, dragen bij aan dit proces. De impact van de jets op de moleculaire gaswolk condenseert het reeds gecomprimeerde gas verder, waardoor een enorme stellaire kraamkamer ontstaat waar in hoog tempo nieuwe sterren worden geboren. De symmetrische structuur die is waargenomen in de gebieden die lijken op de ogen van een uil, wijst op een frontale botsing tussen twee ringvormige sterrenstelsels van ongeveer dezelfde grootte en massa. Dit is van groot belang voor astronomen, omdat veel cruciale processen in de evolutie van sterrenstelsels gelijktijdig kunnen worden waargenomen in dit unieke systeem. Met name de schok en compressie van het gas tijdens de botsing zorgen ervoor dat het condenseert in de fusiegebieden van de sterrenstelsels. De impact van de radiojets op dit dichte gas comprimeert het gas verder, wat stervorming in gang zet. Dit gecombineerde effect onthult hoe krachtig de interacties tussen sterrenstelsels kunnen zijn bij stervorming, en onthult tevens het bestaan van een voorheen slecht begrepen, maar uiterst efficiënt mechanisme dat gas in sterren laat transformeren.

DERDE MONSTER

Hoe meer we dit Kosmische Uil-systeem onderzoeken, hoe verrassender de zaken worden: de mogelijkheid van een derde superzwaar zwart gat! Men denkt dat beide galactische kernen ongeveer honderd miljard keer zo zwaar zijn als de zon, wat betekent dat elk een actief superzwaar zwart gat in het centrum heeft. Het echte mysterie schuilt echter in de krachtige röntgen- en radiosignalen die uit het centrum van deze twee kernen komen. Deze signalen wijzen erop dat daar ook een actief zwart gat aanwezig is. Dus hoe is dit derde zwarte gat ontstaan? Onderzoekers overwegen drie hoofdscenario's: In het belangrijkste Direct Collapse-scenario storten enorme gaswolken, die niet in sterren kunnen transformeren, onder hun eigen zwaartekracht ineen en transformeren direct in superzware zwarte gaten. Dit houdt in dat het gas tussen de botsende sterrenstelsels een schok krijgt, waardoor een extreem dichte en turbulente omgeving ontstaat. Gegevens verkregen, niet alleen door de JWST, maar ook door telescopen op aarde zoals ALMA en de Very Large Array (VLA), ondersteunen dit scenario sterk. Als dit scenario klopt, zou de Kosmische Uil een cruciale aanwijzing kunnen bevatten over hoe de eerste superzware zwarte gaten in het heelal zijn ontstaan. Volgens het tweede scenario, het Migrerende Zwarte Gat, is dit zwarte gat mogelijk gemigreerd vanuit een derde sterrenstelsel. Met andere woorden, het is mogelijk dat het een "migrerend" zwart gat is dat voorheen deel uitmaakte van een ander sterrenstelsel en hierheen is gesleept tijdens een fusie van sterrenstelsels. Het laatste scenario, het Gedecentraliseerde scenario, voorspelt dat dit superzware zwarte gat, ooit onderdeel van een van de twee sterrenstelsels waarin het zich momenteel bevindt, tijdens heftige interacties tussen de sterrenstelsels uit zijn centrum is gerukt en naar zijn huidige locatie is gesleept.

Hoewel directe ineenstorting momenteel het meest bestudeerde en waarschijnlijke scenario is, is de mysterieuze Kosmische Uil niet alleen een visueel opvallende structuur, maar ook een uniek natuurlijk laboratorium dat ons zou kunnen helpen begrijpen hoe superzware zwarte gaten in het vroege heelal zijn ontstaan en hoe sterrenstelsels zich hebben ontwikkeld. Als het scenario van directe ineenstorting wordt bevestigd, zou deze ontdekking een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van het ontrafelen van de mysteries rond de eerste zwarte gaten in het heelal.