Hoe de James Webb-telescoop een kosmische lens gebruikte om een monsterlijk, slapend zwart gat van 10 miljard lichtjaar ver te wegen

Stellaire dynamica op recordafstand

Dankzij het vergrote lensbeeld kon het team het NIRSpec-instrument van JWST inzetten. Deze spectrograaf kan voor elke pixel in de opname het volledige spectrum vastleggen. Zo brachten de astronomen de snelheden van sterren op verschillende afstanden tot het centrum van het stelsel in kaart. Deze methode heet stellaire dynamica—dezelfde techniek waarmee de massa van het centrale zwarte gat in onze eigen Melkweg is bepaald, een prestatie die in 2020 de Nobelprijs voor Natuurkunde opleverde .

Het principe is eenvoudig: hoe dichter sterren bij een superzwaar zwart gat staan, hoe sneller ze eromheen draaien. Door te modelleren hoe de stellaire snelheden veranderen met de afstand, konden de onderzoekers de 'invloedssfeer' van het zwarte gat identificeren—het gebied waar zijn zwaartekracht de beweging van de sterren domineert. Dit leidde tot een directe massameting. Tot nu toe was de verste meting met stellaire dynamica een zwart gat op slechts 700 miljoen lichtjaar afstand. Dit nieuwe resultaat breekt dat record met meer dan een factor tien .

De vondst: een reus die zijn stelsel het zwijgen oplegde

De meting bevestigde een zwart gat met een massa van ongeveer 6 miljard zonsmassa's in het hart van MRG-M0138 . Het gaststelsel is een massief, rood elliptisch sterrenstelsel dat allang gestopt is met het vormen van nieuwe sterren. Het centrale zwarte gat is slapend, wat betekent dat het momenteel geen grote hoeveelheden gas aantrekt en verhit .

De bevindingen wijzen op een gewelddadig verleden. MRG-M0138 was ooit waarschijnlijk een heldere quasar, aangedreven door gas dat naar het groeiende zwarte gat spiraliseerde. De enorme energie die daarbij vrijkwam, kan het gas dat nodig was voor stervorming hebben verhit of zelfs weggeblazen uit het stelsel. De slapende, stille staat van het sterrenstelsel vandaag de dag is dus waarschijnlijk het directe gevolg van de groei van het zwarte gat: het werd zo groot en krachtig dat het zijn eigen gaststelsel als het ware de adem benam .

Samen evolueren, maar niet in de pas

Deze ontdekking raakt de kern van onze ideeën over hoe sterrenstelsels en zwarte gaten samen groeien. In het lokale heelal zien we een strak verband tussen de massa van een centraal zwart gat en de eigenschappen van de centrale verdikking van het gaststelsel, wat suggereert dat ze in een vaste verhouding evolueren. Deze meting levert nu direct bewijs dat dit verband er niet altijd is geweest en dat zwarte gaten gigantisch groot kunnen worden voordat hun gaststelsels zijn uitgegroeid .

De data toont aan dat in de dichtste gebieden van het vroege heelal de groei van het zwarte gat die van de omringende sterpopulatie ver voorbijstreefde . Dit daagt eenvoudige modellen van co-evolutie uit, waarin de groei van het zwarte gat en het stelsel altijd hand in hand gaan. Toekomstige waarnemingen met JWST, Euclid, de Nancy Grace Roman Space Telescope en observatoria op aarde zoals de Giant Magellan Telescope moeten deze techniek van 'lens-plus-stellaire-dynamica' op veel meer sterrenstelsels toepassen. Zo kan een statistisch beeld worden opgebouwd van hoe zwarte gaten en hun gaststelsels door de kosmische tijd heen samen zijn geëvolueerd .