Monsterlijk black hole en quasar

[Michel Uphoff]

In het sterrenbeeld de Maagd werd in 1959 met de Parkes radiotelescoop een puntbron ontdekt. Waarschijnlijk ging het om een wat buitenissige ster en daarmee leek het niets buitengewoons. In 1963 observeerde de Nederlandse astronoom Maarten Schmidt met de vijf meter Mount Palomar telescoop het gebiedje waarin de puntbron was gevonden, en ontdekte daar in zichtbare golflengtes inderdaad een sterachtig object.
 
De spectraalanalyse van het licht echter bracht een enorme verrassing aan het licht; de roodverschuiving toonde aan dat de puntbron ongehoord ver van ons af moest staan, waarschijnlijk enige miljarden lichtjaren. Dat hield in dat de puntbron extreem veel straling moest uitzenden en dus absoluut geen ster kon zijn. Deze en gelijksoortige inmiddels ontdekte puntbronnen werden quasi-stellar radio sources, quasars, genoemd.
 
Lange tijd was er discussie over deze extreem heldere objecten, die vrijwel allemaal zeer ver van ons af staan en dus heel lang geleden in het vroege heelal hun enorme energie het heelal in stuurden. Metingen wezen uit, dat het inderdaad vrijwel puntbronnen moesten zijn, maximaal enkele lichtweken in diameter. En dat leverde een groot vraagstuk op; er was geen proces bekend dat in zo'n kleine ruimte zoveel energie kon ontwikkelen.
 
Inmiddels zijn meer dan 200.000 quasars bekend, en zijn de astronomen het er over eens dat quasars en black holes alles met elkaar te maken hebben. Bijna ieder sterrenstelsel blijkt in haar kern een superzwaar black hole te huisvesten, sommige zijn miljarden keer zo zwaar als onze Zon. Meestal zijn deze enorme massa's alleen indirect zichtbaar door vervorming van de ruimte en andere zichtbare zwaartekrachtinvloeden op de omgeving.
 
Maar als een black hole materie uit de omgeving verorbert, als het groeit, dan kan een quasar ontstaan. De invallende materie spiraalt steeds sneller naar de waarnemingshorizon en krijgt fantastische snelheden, die die van het licht kunnen benaderen. Een zogenaamde accretieschijf (in vorm gelijkend op de ringen van Saturnus) ontstaat rond de waarnemingshorizon van het black hole. De temperatuur van de materiemaaltijd loopt o.a. door onderlinge frictie in deze schijf tot fantastische hoogte op en de vrijkomende energie wordt in twee extreem energierijke bundels, die met de rotatie-as samenvallen het heelal ingejaagd.
 
Wijst zo'n bundel (jet) min of meer richting Aarde, dan zien wij een quasar.
 

PKS_1127-145_X-rays 3103 keer bekeken

Chandra Röntgen opname uit 2000 van quasar PKS 1127-145 op 10 miljard lichtjaar van de Aarde. De energiebundel is minstens een miljoen lichtjaar lang.
 
Enkele dagen geleden werd de ontdekking van een zeer bijzondere quasar bekend gemaakt:
Met behulp van een aantal grote telescopen in China, Arizona, Chili en Hawaii heeft een team onder leiding van Prof. Xue-Bing Wu (Peking University) een quasar ontdekt ontspruitend uit een black hole met een massa van maar liefst 12 miljard zonnen op de enorme afstand van 12,8 miljard lichtjaar.
Niet alleen is het daarmee een van de vroegste en zwaarste quasars ooit waargenomen, ook de hoeveelheid energie die het monster het heelal injaagt is ongekend hoog; ze is gelijk aan 430 biljoen zonnen. Een klein object geeft evenveel licht als 2000 sterrenstelsels tezamen. Nog niet eerder werd in een zo vroeg stadium van het ontstaan van het heelal een zo enorm groot actief zwart gat ontdekt.
 

diagram 3115 keer bekeken

De massa en helderheid van quasar SDSS J0100+2802 vergeleken met andere vroege quasars (Bron: Zhaoyu Li/Yunnan Observatory)
 
Hoe de het black hole, SDSS J0100+2802 genaamd, zoveel materie al zo kort na de oerknal kon vergaren verbaast de astronomen. 12,8 miljard jaar geleden is slechts 900 miljoen jaar na de oerknal, het is het tijdstip waarop de eerste reuzensterren ontstonden. De aggregatie van zoveel materie in die betrekkelijk korte tijd ligt tegen de limiet van de theoretische mogelijkheden aan.
 

eso1229a 3100 keer bekeken

Artist impression van een quasar. (Bron: Eso)
 
Om een indruk te krijgen van de fantastische hoeveelheid energie; als deze quasar op de afstand van Sirius, de helderste ster aan de hemel, zou hebben gestaan dan zou dat minieme sterrenpuntje op 8 lichtjaar afstand de Aarde verlichten met de kracht van 1700 zonnen.
Het tempo waarmee het black hole gevoed wordt met materie ligt in de orde van 1000 stermassa's per jaar, en iedere drie seconden wordt een aardmassa omgezet in pure energie die langs de bundels de ruimte wordt ingejaagd.
 

Realistic_black_hole_in_the_interstellar_movie 3246 keer bekeken

In de film Interstellar werd onder supervisie van Kipp Thorne met behulp van supercomputers deze realistische impressie gemaakt van een superzwaar black hole. De accretieschijf aan de achterzijde is door de vervorming van de ruimte door de immense zwaartekracht boven en onder de eventhorizon zichtbaar.
 
Onderzoek naar deze zelfs naar astronomische begrippen monsterlijke objecten en hun invloed op het ontstaan van sterrenstelsels en de andere grote schaal structuren is een actief wetenschapsgebied, omdat er steeds meer aanwijzingen zijn dat black holes en hun quasars daarbij een zeer belangrijke- mogelijk zelfs een hoofdrol spelen.
 
Wetenschappelijk paper:

An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6

(2.45 MiB) 2985 keer gedownload

[edju]

Deze objecten staan waarschijnlijk enige miljarden lichtjaren van ons af. Mag ik vragen op welke wijze men kan bepalen dat ze maximaal enkele lichtweken in diameter zijn?
1 miljard lichtjaar = 52 miljard lichtweken afstand bij 1 lichtweek diameter  geeft een hoek van 3 10(-13) graden. Hoe is men in staat een dergelijk kleine hoek op te meten? Ik weet dat men met radiostraling kleine hoeken kan meten door schotels op grote afstanden van elkaar aan elkaar te koppelen om zodoende een hoog oplossend vermogen te krijgen. En in theorie is het ook mogelijk om metingen te koppelen die een half jaar uit elkaar liggen. Is dat voldoende?

[Dinkydau]

Wat is pure energie? Zoekresultaten van google gaan over yoga en groene stroom...

[Michel Uphoff]

Mag ik vragen op welke wijze men kan bepalen dat ze maximaal enkele lichtweken in diameter zijn?

 
Ja natuurlijk, goede vraag!
 
Het meten van de schijnbare diameter van zulke vérgelegen quasars is inderdaad geen optie.
 
Maar quasars variëren aanmerkelijk in helderheid (omdat het black hole niet altijd evenveel materie verslindt en straling via de quasar morst), en dat vaak in periodes van enkele dagen. Als de quasar groot zou zijn, stel eens een lichtjaar, dan zou ze nooit in enkele dagen kunnen fluctueren omdat het licht dat ons bereikt van bijvoorbeeld de voorkant en dat van de rand een tussenpoze van ruwweg een half jaar zou hebben. We zouden dan een lichtcurve zien die ten minste 3 maanden oploopt en 3 maanden afloopt.
 
Coherente fluctuaties van een object kunnen dus niet verschijnen in een kortere tijd dan de fotonen (die vanzelfsprekend met de lichtsnelheid reizen) er over doen om door het object te reizen.
 
Snelle fluctuaties duiden dus op kleine objecten.

[Michel Uphoff]

Wat is pure energie?

 
Met 'pure' energie bedoel ik de volledige omzetting van massa in louter energie, dus zonder enig afval. Ik had inderdaad beter een andere term kunnen kiezen als dit woord zulke associaties oproept.
 
Een kilogram materie levert (e=mc²) 1 * 299.790.000² = 89.874.044.100.000.000 Joule aan energie als je alle massa in energie zou omzetten. Een massa ter grootte van de Aarde (6.10²⁴ kg) omzetten in louter energie (de materie is geheel verdwenen) levert onvoorstelbaar veel energie op.

[bats]

Als dat object zoveel massa in energie omzet en zo fel schijnt, dan moet het wel ongelofelijk heet zijn.
Nu vraag ik mij af hoe heet kan zoiets worden?

[edju]

... Als de quasar groot zou zijn, stel eens een lichtjaar, dan zou ze nooit in enkele dagen kunnen fluctueren omdat het licht dat ons bereikt van bijvoorbeeld de voorkant en dat van de rand een tussenpoze van ruwweg een half jaar zou hebben. We zouden dan een lichtcurve zien die ten minste 3 maanden oploopt en 3 maanden afloopt...
...Snelle fluctuaties duiden dus op kleine objecten...

Dank je. Prima antwoord en geheel duidelijk.

[edju]

 
Met 'pure' energie bedoel ik de volledige omzetting van massa in louter energie, dus zonder enig afval. Ik had inderdaad beter een andere term kunnen kiezen als dit woord zulke associaties oproept.
 
Een kilogram materie levert (e=mc²) 1 * 299.790.000² = 89.874.044.100.000.000 Joule aan energie als je alle massa in energie zou omzetten. Een massa ter grootte van de Aarde (6.10²⁴ kg) omzetten in louter energie (de materie is geheel verdwenen) levert onvoorstelbaar veel energie op.

 
Toch heeft mij dit ook wel aan het denken gezet. Ik ken kinetische en potentiële energie maar voor beide vormen  is een voorwerp met massa nodig. Daar gaat het hier niet over. Wat me verder nog te binnen schiet, zijn fotonen, straling: van infrarood tot gamma. Als het dat ook niet is, weet ik totaal niet wat die "pure energie" is ... Ik dacht dat als materie en antimaterie elkaar vernietigen, dat er dan fotonen gevormd worden en als dat niet zo is, heb ik lang fout gedacht ...
 
citaat: "Een massa ter grootte van de Aarde (6.10²⁴ kg) omzetten in louter energie (de materie is geheel verdwenen) levert onvoorstelbaar veel energie op". En het energieprobleem van de onze aarde zou definitief opgelost zijn

[LucF]

Hoe kan men op een afstand van 12,8 mrd lichtjaar de hoeveelheid massa nog bepalen? 
Veel van het gedrag van de materie in de omgeving is niets te zien, lijkt mij?

[Dinkydau]

 
Met 'pure' energie bedoel ik de volledige omzetting van massa in louter energie, dus zonder enig afval. Ik had inderdaad beter een andere term kunnen kiezen als dit woord zulke associaties oproept.
 
Een kilogram materie levert (e=mc²) 1 * 299.790.000² = 89.874.044.100.000.000 Joule aan energie als je alle massa in energie zou omzetten. Een massa ter grootte van de Aarde (6.10²⁴ kg) omzetten in louter energie (de materie is geheel verdwenen) levert onvoorstelbaar veel energie op.

Oke, ik dacht even dat het ging om iets heel speciaals, energie die zich niet op een gangbare manier manifesteert maar iets anders.

[anusthesist]

Hoe kan men op een afstand van 12,8 mrd lichtjaar de hoeveelheid massa nog bepalen? 

Veel van het gedrag van de materie in de omgeving is niets te zien, lijkt mij?

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.

[Michel Uphoff]

@Bats: Nu vraag ik mij af hoe heet kan zoiets worden?

 
Er is geen zekerheid over een eventuele maximum temperatuur. Er zijn wel hypotheses, zoals bijvoorbeeld de 'Absolute hot' hypothese die stelt dat niets heter kan zijn dan de Planck temperatuur (klik). Dat is ongeveer 1,4×10³² kelvin.
Metingen aan actieve quasar 3C 279  leveren temperaturen variërend van 8.10¹² tot 1.10¹⁴K op. In gewoon Nederlands dus 8.000 miljard tot 100.000 miljard graden.
 

@ Edju: Wat me verder nog te binnen schiet, zijn fotonen, straling: van infrarood tot gamma.

 
Inderdaad wordt deze materie omgezet in hoog energetische straling in het Röntgen en gamma gebied, maar ook in andere delen van het elektromagnetisch spectrum dus zichtbaar licht, ultraviolet, infrarood et cetera. En dus ook in de langere radiogolven, vandaar dat de eerste quasar met de Parkes radiotelescoop werd ontdekt. Hier een meting van de intensiteit van de e.m. straling van quasar 3C 297 op diverse golflengtes van Röntgen tot radiogolven:
 

3C279 quasar 3106 keer bekeken

 

@Lucf: Hoe kan men op een afstand van 12,8 mrd lichtjaar de hoeveelheid massa nog bepalen? 

 
Dat is beslist niet simpel, en vaak ook niet erg precies. Eenvoudigweg de schijnbare diameter van een black hole op die afstand opmeten ligt ver buiten onze mogelijkheden. 
 
Een methode is om de baan van sterren rond superzware black holes in de centra van sterrenstelsels te bestuderen, zoals hier waar je de sterren rond het zwarte gat in onze Melkweg ziet draaien:
 
[sharedmedia=core:attachments:16699]

2011orbits_animfull 3110 keer bekeken

 
Met behulp van de wetten van Kepler kan dan de massa van het black hole worden berekend. De derde wet van Kepler stelt dat de som van de massa's van twee rond elkaar draaiende objecten proportioneel is aan de derde macht van de halve lange as (bij een cirkel de straal), gedeeld door het kwadraat van de omloopperiode. Omdat de massa van de Zon of het black hole veel groter is dan dat van de planeet of de ster, mogen we dit vereenvoudigen tot de massa van de ster of black hole alleen, en de omloopbaan vereenvoudigen we tot een cirkel.
 
Voorbeeld: Jupiter draait in pakweg 12 jaar om de zon, en de Aarde in 1 jaar. Hoe ver is Jupiter weg van de Zon?
12*12=144 en de derdemachtswortel uit 144 is 5,24 Dus staat Jupiter ongeveer 5,24 keer zo ver weg van de Zon dan de Aarde.
Wat van belang is voor de eenvoud van deze regel is dat je de tijdseenheid uitdrukt in aardse jaren, de afstand uitdrukt in de afstand Aarde-Zon (andere naam voor deze afstand is Astronomische Eenheid, AE) is en de massa-eenheid die van de Zon is.
 
Deze wet kan je dus ook gebruiken om de massa van iets te schatten: De massa is proportioneel aan de halve lange as (of de straal) tot de derde macht gedeeld door de omloopduur in het kwadraat.
Dus: We treffen een ster in een baan met een straal van 50 AE rond een black hole aan, en de omloopperiode is 0,25 jaar. Dan is de massa van het black hole: 50³ / 0,25² = 2 miljoen zonmassa's.
 
Zo kan je van meerdere zwarte gaten de massa en andere eigenschappen, zoals bepaalde emissielijnen, meten. En net als bij sterren het geval is (zie het Hertzsprung-Russel diagram) kunnen black holes worden ingedeeld in een reeks waarbij de emissielijnen en de massa een relatie hebben. Kom je zeer ver een quasar tegen, dan kan je op basis van de emissielijnen de massa schatten. Zie ook dit artikeltje.
Er zijn meer methoden die voor met name verre quasars moeten worden toegepast, maar die zijn zeer specialistisch, complex en indirect.
Veel te eenvoudig gesteld, maar om een eerste indruk van een zo'n methode te geven: Als licht met bepaalde emissielijnen (de 'barcode' die de samenstelling van de elementen kan verraden die dat licht uitgezonden hebben) door een zwaartekrachtsveld gaat, ondergaat het veranderingen waaronder genoemde verbreding van die spectraallijnen. Aan de mate van de vervorming van de lijnen kan een inschatting gemaakt worden van de sterkte van dat zwaartekrachtsveld, en daaruit kan de massa worden afgeleid.
Wil je er echt meer over weten, zie dan hier en hier , de bijlage en natuurlijk het paper dat aan het openingsbericht is toegevoegd.
Maar al met al zijn de onzekerheden bij dit soort schattingen behoorlijk groot.
Bijlage: 

Measuring the Masses of Supermassive Black Holes

(735.65 KiB) 574 keer gedownload

[317070]

Realistic_black_hole_in_the_interstellar_movie.jpg
In de film Interstellar werd onder supervisie van Kipp Thorne met behulp van supercomputers deze realistische impressie gemaakt van een superzwaar black hole. De accretieschijf aan de achterzijde is door de vervorming van de ruimte door de immense zwaartekracht boven en onder de eventhorizon zichtbaar.

Hier is trouwens hoe ze het gerenderd hebben: http://rantonels.github.io/starless/
Is even geleden op hackernews gepasseerd, erg interessant artikel.

[Buyck Ruben]

Ik viel achterover van dit nieuws!
Dit gaat de menselijke verbeelding te boven.
 
Maar ik blijf met enkele vragen zitten.
Hoewel het zwart gat zeer ver is zijn we dan op zeer lange termijn toegezogen naar het zwart gat?
Deint het zwarte gat mee met kosmologische constante en komen we eigenlijk niet (veel) dichterbij?

[Michel Uphoff]

Hoewel het zwart gat zeer ver is zijn we dan op zeer lange termijn toegezogen naar het zwart gat?

 
Een zwart gat is voor wat betreft de zwaartekrachtswerking niets anders dan een ander (zwaar) hemellichaam. Het is een misvatting te denken dat zo'n black hole op een andere manier aan de omgeving 'trekt' dan bijvoorbeeld de Zon. De Aarde draait haar baantjes al miljarden jaren om de Zon, en zal dat nog miljarden jaren doen. Dat zou niet anders geweest zijn als er op de plaats van de Zon een even zwaar zwart gat was geweest.
In het centrum van de Melkweg zit een zwart gat van naar schatting 4 miljoen zonmassa's zwaar en de sterren draaien daar gewoon hun baantjes omheen (zie de animaties in het vorige bericht, het sterretje is de locatie van dat zwarte gat). Dat zwarte gat is naar verhouding tot een quasar vlak om de hoek, maar ook daar worden wij niet naar toe gezogen, de Zon en alle andere sterren in de Melkweg draaien er gewoon hun rondjes omheen.
 
Maar..
Valt er materie in zo'n zwart gat dan wordt het zwarte gat wat zwaarder. Ook dat is op zich niets bijzonders, als een komeet in een ster valt wordt de ster ook wat zwaarder. Een belangrijk verschil is wel, dat er niets meer het zwarte gat verlaat. Terwijl een ster weer lichter kan worden omdat ze straling en deeltjes uitzendt, wordt een zwart gat alleen maar zwaarder, want er kan (een detail buiten beschouwing gelaten) niets uit.
Ook de sterren met hun planeten die rond het superzware zwarte gat in de Melkweg draaien blijven dat niet eeuwig doen. Langzaam zullen hun banen wijzigen. Een aantal zal mogelijk uit de Melkweg geslingerd worden en een deel zal als het voldoende omloopsnelheid heeft verloren in het zwarte gat verdwijnen. 
Het is dus voorstelbaar (én speculatief) dat er over vele honderden miljarden jaren zoveel materie (stof, gas, planeten, sterren, maar ook andere zwarte gaten) in zwarte gaten terecht gekomen is, dat het heelal vrijwel leeg is op een flink aantal hyperzware black holes na. Maar de Aarde maakt dit niet mee, haar lot is waarschijnlijk dat ze over 'al' bijna 8 miljard jaar in de Zon zal verdwijnen. Zie ook dit berichtje.
 

Deint het zwarte gat mee met kosmologische constante en komen we eigenlijk niet (veel) dichterbij?

 
Nee, dát zwarte gat zal zich alleen maar steeds sneller steeds verder van ons verwijderen. Hoe verder een object van ons af is, hoe sneller het zich van ons verwijdert, althans volgens de huidige kennis.