Monsterlijk black hole en quasar

[edju]

De massa van onze Melkweg zou ca. 110 miljard zonnen zijn. Deze quasar zou 12 miljard zonnen wegen. Dus ongeveer 0,1 van de Melkweg!
 
bron:
http://www.sterrenkunde.nl/index/encyclopedie/melkwegstelsel.html
 
En dat in een tijd dat net de eerste sterren ontstonden. Misschien waren er toen nog geen "nette" sterrenstelsels maar alleen onregelmatige sterrenhopen?
De eerste sterren waren vaak heel groot en ontploften relatief snel, met achterlating van een groot zwart gat. De materie zat toen nog tamelijk dicht op elkaar dus zo'n zwart gat kon snel groeien. Het is misschien eerder verwonderlijk dat er nog wat aan ontsnapt is?

[LucF]

Voor een zwart gat geldt: r = MG


Waarbij r de straal is, M de massa en G Newtons gravitatieconstante.


Weet je de diameter of straal dan weet je dus meteen de massa.

Dat betekent dus dat de dichtheid, of soortelijk gewicht, van alle zwarte gaten gelijk is ?

[edju]

Dat betekent dus dat de dichtheid, of soortelijk gewicht, van alle zwarte gaten gelijk is ?

 
Volgens mij zit het een beetje moeilijk met de soortelijke massa van zwarte gaten want de inhoud nadert naar nul. Hoewel: sommigen geven de naam "zwart gat" aan de (veronderstelde) singulariteit en anderen noemen alles binnen de Schwarzschild-radius zo.

[anusthesist]

Dat betekent dus dat de dichtheid, of soortelijk gewicht, van alle zwarte gaten gelijk is ?

Nee, want niet alle zwarte gaten zijn even groot. In het midden van een zwart gat wordt verondersteld dat er zich een singulariteit bevindt inderdaad, maar alles binnen de event horizon is het zwarte gat en dus niet alleen die singulariteit.

[Michel Uphoff]

Misschien waren er toen nog geen "nette" sterrenstelsels maar alleen onregelmatige sterrenhopen?

 

Wat kwam eerder, het black hole waar omheen zich een sterrenstelsel vormde, of het sterrenstelsel waarin zich een black hole ontwikkelde?
Dat is een van de vragen waar kosmologen mee worstelen. Hier de drie meest genoemde scenario's in een overzichtje:

 

Image1 1151 keer bekeken

Bron: M. Volonteri, Astrofysisch instituut Parijs

 

De materie zat toen nog tamelijk dicht op elkaar dus zo'n zwart gat kon snel groeien.

Aan de groeisnelheid van een zwart gat zit een theoretische limiet verbonden, de zogenaamde Eddington limiet (klik). Ongeveer zoals een ster zoveel hoogenergetisch straling en deeltjes uit kan zenden dat zij zichzelf tegen de gravitatiekrachten in opblaast, kunnen ook zwarte gaten 'bellen blazen'. Als een superzwaar zwart gat te veel materie tegelijk verslindt kan de stralingsdruk zo groot worden dat de omliggende materie weggeblazen wordt, waardoor bij gebrek aan voedsel de groei tot stilstand komt.
 
Het probleem dat opdoemt bij zulke zware zwarte gaten zo vroeg in het heelal is dat hun bestaan vereist dat het zwarte gat gedurende zijn hele bestaansduur of tenminste de helft daarvan zoveel materie moet hebben verslonden dat de stralingsdruk gedurende al die tijd vrijwel continue tegen die Eddington limiet aan zit. Dat is een tamelijk onwaarschijnlijke situatie, want dat vereist de continue aanvoer van ongeveer dezelfde (grote, maar niet té grote) hoeveelheid materie gedurende een zeer lange tijd.

 

Dit soort enorme quasars zo vroeg in het heelal plaatst dus grote vraagtekens bij de huidige theorievorming rond het ontstaan van superzware black hole's. In de bijlage van het openingsartikel wordt dit ook zo gesteld:

 

The existence of such black holes when the Universe was less than one billion years old presents substantial challenges to theories of the formation and growth of black holes and the coevolution of black holes and galaxies.

 

Er wordt daar onder meer verwezen naar een artikel met betrekking tot die theorievorming, dat ik bijgesloten heb.

 

Het is misschien eerder verwonderlijk dat er nog wat aan ontsnapt is?

 
Nee, dat is niet zo verwonderlijk. Allereerst kennen we de werkelijke omvang van het heelal niet; het is waarschijnlijk dat het heelal heel veel groter is dan het waarneembare heelal, en mogelijk is het altijd oneindig groot geweest. Maar ook een black hole van ongeveer een tiende sterrenstelsel zwaar heeft 'maar' een massa van een dwergstelsel en heeft dezelfde gravitatiekracht. Er wordt wel vaker gedacht dat in het vroege heelal de objecten heel veel dichter bij elkaar gestaan moeten hebben, maar dat valt wel mee, althans na de inflatieperiode. De zogenoemde schaalfactor is sedert 380.000 jaar na de oerknal tot heden 'slechts' met 1100 toegenomen. Afstanden tussen objecten waren ruwweg een miljard jaar na de oerknal minder dan 1000 maal kleiner dan nu. Een massa ter grootte van een dwergstelsel was ook toen niet in staat een werkelijk aanmerkelijke hap uit de kosmische koek te eten.

 

Bijlage: 

The Formation and Evolution of Massive Black Holes

(309.49 KiB) 347 keer gedownload

[edju]

Helder, dank je.
 
380.000 jaar na de oerknal, is dat niet het moment dat de electronen om de kernen (protonen en eventueel neutronen) gaan draaien? Zodat waterstof en helium ontstaan (en de electromagnetische kracht zich afscheidt?)
 
En sindsdien is de schaalfactor slechts met 1100 toegenomen. Dat had ik veel meer ingeschat.

[Michel Uphoff]

380.000 jaar na de oerknal, is dat niet het moment dat de electronen om de kernen (protonen en eventueel neutronen) gaan draaien? Zodat waterstof en helium ontstaan (en de electromagnetische kracht zich afscheidt?)

 

Ongeveer 380.000 jaar na de oerknal was de temperatuur van het heelal zoveel gedaald, dat de elektronen zich met de helium en waterstofkernen (die in de eerste minuten na de oerknal al ontstonden, terwijl ruim daarvoor in de eerste miljoenste seconde al, de elektromagnetisch kracht zich afscheidde) konden verenigen tot neutraal geladen atomen. Daardoor konden voor het eerst de fotonen vrij door het heelal reizen, en werd het heelal 'transparant'. Het moment van de beroemde 'kosmische achtergrondstraling'. De bijbehorende temperatuur is 3000 graden, daarboven is helium en waterstof geïoniseerd. Zie ook hier.

 

En sindsdien is de schaalfactor slechts met 1100 toegenomen. Dat had ik veel meer ingeschat.

 

Boltzman (klik) vertelt ons dat er een vierde macht zit tussen energie en temperatuur. Als de absolute temperatuur van een zwarte straler halveert, moet de totale intensiteit van de straling 1/16 worden. Verdubbeling van een schaalfactor leidt tot een 2³ = 8 maal grotere inhoud, en tot een halvering van zowel de golflengte als de energie van een foton. Er is dan per inhouds-eenheid nog maar 1/16 van de energie aanwezig. Gecombineerd leidt dit dus tot de conclusie dat de absolute temperatuur omgekeerd evenredig is aan de schaalfactor.


De CBR temperatuur is nu 2,725K en was toen 3000K, dus de schaalfactor moet ongeveer 1100 zijn. Het heelal moet nu ruim 1,3 miljard keer meer volume hebben dan ten tijde van de recombinatie 380.000 jaar na de big bang.


Zie ook hier

[edju]

Helder, bedankt.
 
Mijn gedachte dat de electromagnetische kracht zich pas afscheidde bij de "ontkoppeling" (noemden ze het vroeger) ofwel het transparant worden van het heelal ofwel de recombinatie, was dus zwaar fout. Kun je misschien ook aangeven of er/welke gebeurtenissen plaatsvonden tijdens die afscheiding?
 
Als het heelal nu 1,3*10⁹ x meer volume heeft dan tijdens die recombinatie 380000 jaar na de oerknal, dan zou je denken dat de afstanden tussen de objecten sindsdien met een factor (1,3*10⁹ )^1/3   ~  1091 zijn toegenomen.
 
Je schrijft hierboven ergens: ... Afstanden tussen objecten waren ruwweg een miljard jaar na de oerknal minder dan 1000 maal kleiner dan nu...
Dus ik denk dat ik een rekenfout heb gemaakt.
 
In elk geval snap ik nu wel dat ook supergrote zwarte gaten, relatief snel na de oerknal ontstaan, lang niet alle materie konden opvreten. Toch zou er best wel eens een kleine 10% van alle materie in verdwenen kunnen zijn? Is maar een gok, uiteraard ...

[Michel Uphoff]

Kun je misschien ook aangeven of er/welke gebeurtenissen plaatsvonden tijdens die afscheiding?

 

In Wikipedia staat een vrij uitgebreide chronologie van gebeurtenissen na de oerknal: klik

 

Dus ik denk dat ik een rekenfout heb gemaakt.

 

Ik zie geen fout. De schaalfactor is sedert de recombinatie is inderdaad met 1091 toegenomen. De quasar bestond ongeveer 900 miljoen jaar na de oerknal, zodat de schaalfactor tussen nu en toen kleiner moet zijn, ik schatte ruwweg 1000, maar zou de precieze factor uit moeten zoeken.

[edju]

Het Wikipedia-artikel gelezen. Wat me opviel was, dat het oudste (tot nu toe ontdekte) sterrenstelsel, UDFj-39546284 13,37 miljard jaar oud is en de monster-quasar waar het hier over gaat, 12,8 miljard jaar dus ca. 500.000 jaar jonger.
 
http://en.wikipedia.org/wiki/UDFj-39546284
 
Toch wordt nergens vermeld dat dit stelsel een quasar is, dus zou het ook geen superzwaar zwart gat herbergen.
Wat de vraag oproept onder welke omstandigheden een dergelijk groot zwart gat ontstaan kan.
 
Is het mogelijk dat het ontstaan is door de botsing en samensmelting van meerdere stelsels in het vroege universum? Dan zou het probleem met die Eddington-limiet (zie hierboven, 15:31) toch zijn opgelost?

[Michel Uphoff]

UDFj-39546284 13,37 miljard jaar oud 

 
Dat is vooralsnog twijfelachtig. Analyse in maart 2013 bracht aan het licht (..) dat er afwijkingen in het spectrum zijn die het doen laten lijken dat het stelsel zo ver weg is. Maar waarschijnlijk staat het dichterbij. Onderin dat Wikipedia artikel wordt dat ook opgemerkt.
 

Toch wordt nergens vermeld dat dit stelsel een quasar is, dus zou het ook geen superzwaar zwart gat herbergen.

 
Dat is op zich een misvatting. Niet ieder superzwaar gat is een quasar. Het superzware (hoewel met 4 miljoen zonmassa's toch een ukkie vergeleken met de monsters waar we het over hebben) zwarte gat in het centrum van de Melkweg is ook geen quasar, maar zal dat ooit wel kunnen worden en vrijwel zeker geweest zijn. De jets van hoogenergetische straling die wij quasar noemen zijn natuurlijk alleen aanwezig als het black hole heel veel materie consumeert. Alleen vrij jonge stelsels hebben nog zoveel materie in het centrum dat er een quasar mee gevoed kan worden. De jongste quasar die wij kennen komt van ruim 2 miljard lichtjaar ver.
 
Maar als er een aantal sterren in Sagittarius A* donderen krijgen we een quasar, en dan is het maar gelukkig dat de jet niet richting Aarde staat gericht. Die kans is overigens zeer gering, het black hole heeft de omgeving al lang geleden vrijwel schoongeveegd. Maar helemaal inactief is Sagittarius A* niet, met enige regelmaat komen er röntgen- en infrarood flitsen vandaan. Mogelijk worden er in de buurt van het black hole kometen en astroïden door sterren in hun baan verstoord en richting het gat geschoten. Die flitsjes stellen natuurlijk vergeleken met een quasar niets voor. Zie ook hier.
 
Je kan je wel afvragen of een dergelijk jong stelsel nog geen zwart gat heeft, of er al een heeft maar dat het al inactief is. Daar wees ik in bericht 20 op. De volgorde; eerst een black hole dan een stelsel of andersom, is een van de vraagstukken mbt de vorming van sterrenstelsels en black holes.
 

Dan zou het probleem met die Eddington-limiet toch zijn opgelost?

 
Ik vrees van niet. Natuurlijk kan een stelsel ontstaan zijn uit een aantal protostelsels, onze Melkweg is waarschijnlijk ook zo ontstaan. Maar de Melkweg heeft daar vele miljarden jaren over mogen doen. Het is niet aannemelijk dat er in het vroege heelal voldoende tijd is geweest om én sterrenstelsels te laten evolueren én er een aantal van laten samenkomen, én de diverse black holes te laten samensmelten.

[LucF]

Heel interessant om die uitvoerige antwoorden van de deskundigen te lezen.
 
Als ik goed begrijp is de heeft de bigbang zich volledig in het duister afgespeeld en was de explosie of althans wat er van over was pas na 380.000 jaar zichtbaar!? 
De temperatuur in het hele ons bekende heelal was na de inflatie 380.000 jaar nog zeer hoog met 3000k !?
 
Hoe weten weten we wat er tijdens de inflatie heeft plaatsgevonden en dat deze 380.000 jaar heeft geduurd?
Is er tijdens deze periode geen enkele straling geweest die we nu nog zouden kunnen terugvinden?

[denktankje]

Fascinerende veronderstellingen. Ik ben deze week ook heel basaal de oude serie Cosmos aan het herkijken. Fantastische koppeling van de ontdekkersgeest van de mensheid aan de behoefte te theoretiseren en beide aspecten los te laten op het heelal.


Al deze onderzoeksgegevens spreken enorm tot de verbeelding en zijn tegelijk moeilijk te bevatten. Een spannende combinatie.