Quasars behoren tot de helderste objecten in het heelal en ontstaan als superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels grote hoeveelheden gas opslokken. Hoewel de aanwezigheid van zulke superzware zwarte gaten heel vroeg in de geschiedenis van het heelal verbazingwekkend is, tonen verschillende modellen en simulaties aan dat deze heldere quasars inderdaad kunnen ontstaan in zeldzame, dichtbevolkte gebieden van het jonge heelal. De vondst van de eenzame quasars zet deze aanname op zijn kop.
Niemandsland
In dit onderzoek gebruikten de astronomen onder leiding van Anna-Christina Eilers (MIT, Verenigde Staten) de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) om meer dan 13 miljard jaar terug in de tijd te kijken en de kosmische omgeving van vijf bekende oude quasars te bestuderen. Ze vonden een verrassende verscheidenheid in hun omgeving. Terwijl sommige quasars zich in zeer drukke gebieden met meer dan vijftig naburige sterrenstelsels bevinden, zoals de modellen voorspellen, lijken de overige quasars in de lege ruimte te zweven, met slechts een paar verdwaalde sterrenstelsels in hun omgeving. De grote vraag is nu hoe zulke objecten zo vroeg in het heelal konden ontstaan, zonder een significante bron van omringende materie om hun zwarte gat te laten groeien.
“Sommige quasars lijken in niemandsland te staan”, zegt eerste auteur Anna-Christina Eilers. “Het is moeilijk te verklaren hoe deze quasars zo groot konden worden als ze niets lijken te hebben om zich mee te voeden.” Vervolgonderzoek moet aantonen of de quasars echt zo eenzaam zijn of dat ze omringd worden door aan het zicht onttrokken in stof gehulde sterrenstelsels.
Vergelijken met modellen
Elia Pizzati en zijn Leidse collega’s Joseph Hennawi, Joop Schaye, en Matthieu Schaller hebben gewerkt aan de interpretatie van de waarnemingen. Elia Pizzati: “Om te kunnen zeggen of quasars in zeldzame en dichtbevolkte omgevingen kunnen leven of niet, moeten we weten hoe deze omgevingen eruitzagen op verschillende kosmische momenten. Met andere woorden, we moeten onze waarnemingen van quasars en melkwegstelsels vergelijken met onze theoretische modellen voor de ruimtelijke verdeling van materie in het heelal (het kosmische web).”
Een dergelijke vergelijking kan worden gemaakt met behulp van kosmologische simulaties met een groot volume, die de evolutie van dit kosmische web door de geschiedenis van het heelal in detail kunnen vastleggen. Niet alle simulaties zijn echter geschikt voor deze taak: om de zeldzaamste en meest dichte omgevingen waar quasars zouden leven (volgens theoretische modellen) vast te leggen, moet je enorme volumes simuleren (met een grootte van wel 10 miljard lichtjaar). Tegelijkertijd moeten de simulaties een numerieke resolutie hebben die hoog genoeg is om de kleinere structuren vast te leggen waar minder zware sterrenstelsels worden verondersteld te leven.
Gloednieuwe simulatie
Voor dit onderzoek is een gloednieuwe simulatie gebruikt die aan de Sterrewacht Leiden en aan de Universiteit van Durham is ontwikkeld: FLAMINGO-10k. Deze simulatie bevat meer dan een biljoen deeltjes en is daarmee een van de grootste simulaties ooit.
Co-auteur Joseph Hennawi (Sterrewacht Leiden) besluit: “Deze resultaten zijn belangrijk omdat ze ons kunnen leren hoe superzware zwarte gaten in het vroege heelal zijn gegroeid en wat de relatie is tussen de groei van superzware zwarte gaten en de opkomst van heldere quasars. Met de ongekende mogelijkheden van JWST kunnen we nu vroege quasars en sterrenstelsels bestuderen in details die voorheen onvoorstelbaar waren.”
Beloning voor hulp aan JWST
De waarnemingen maken deel uit van de EIGER-survey, een cyclus 1 JWST GTO-programma dat zich richtte op zes quasarvelden met behulp van het NIRCam-instrument. GTO staat voor Guaranteed Time Observations. Dat zijn waarnemingen om wetenschappers te belonen die hebben geholpen bij de ontwikkeling van de belangrijkste hardware- en softwarecomponenten of technische en interdisciplinaire kennis voor de JWST. De waarnemingen zijn uitgevoerd tussen augustus 2022 en juni 2024. De simulatie FLAMINGO-10k werd eind 2023 uitgevoerd op de COSMA-machine in Durham, en was bedoeld als een vervolg-N-body-simulatie die een aanvulling vormt op de al bestaande simulaties in de FLAMINGO-suite.
Wetenschappelijk artikel
EIGER VI. The Correlation Function, Host Halo Mass and Duty Cycle of Luminous Quasars at z ≳ 6. Door: Anna-Christina Eilers, Ruari Mackenzie, Elia Pizzati, Jorryt Matthee, Joseph F. Hennawi, Haowen Zhang, Rongmon Bordoloi, Daichi Kashino, Simon J. Lilly, Rohan P. Naidu, Robert A. Simcoe, Minghao Yue, Carlos S. Frenk, John C. Helly, Matthieu Schaller en Joop Schaye. Geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal. [preprint]
Deze afbeelding gemaakt met de James Webb-ruimtetelescoop toont een eenzame oude quasar (rood omcirkeld) met minder naburige sterrenstelsels (heldere blobs) dan verwacht. De waarneming gaat tegen de heersende, door modellen ondersteunde, theorie in dat quasars zich altijd bevinden in drukke gebieden met veel naburige sterrenstelsels. (c) Christina Eilers/EIGER-team [hoge resolutie]