De meeste sterrenstelsels hebben superzware zwarte gaten in hun centra. Het gas en stof dat in deze zwarte gaten valt, creëert een enorme hoeveelheid energie door wrijving, waardoor in de meest extreme gevallen lichtgevende galactische kernen ontstaan, quasars genaamd, die jets van energetische materie uitstoten. Deze stralen kunnen tot op grote afstand worden waargenomen met radiotelescopen. In ons nabije heelal komen grote radio-jets veel voor, maar in het verre, vroege heelal zijn ze tot nu toe ongrijpbaar gebleven.
Met behulp van een combinatie van telescopen hebben astronomen een verre radio-jet met twee lobben ontdekt die zich uitstrekt over een afstand van maar liefst 200.000 lichtjaar - tweemaal de breedte van de Melkweg. Dit is de grootste radio-jet die ooit in het vroege heelal is gevonden. De jet werd voor het eerst geïdentificeerd met behulp van LOFAR (International Low Frequency Array Telescope), een netwerk van radiotelescopen in heel Europa, met het centrale deel nabij het Drentse Exloo.
Vervolgwaarnemingen in het nabij-infrarood met de Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) en in het optisch met de Hobby Eberly Telescope leidden tot een goed beeld van de quasar en zijn radio-jet. “We zochten naar quasars met sterke radio-jets in het vroege heelal, wat ons helpt te begrijpen hoe en wanneer de eerste jets worden gevormd en hoe ze de evolutie van sterrenstelsels beïnvloeden,” zegt eerste auteur Anniek Gloudemans (in Leiden gepromoveerd en nu werkzaam als postdoctoraal onderzoeker bij NOIRLab, dat onder andere de Gemini North-telescoop beheert).
Het bepalen van de eigenschappen van het zwarte gat van de quasar, zoals zijn massa en de snelheid waarmee hij materie eet, is nodig om zijn ontstaansgeschiedenis te begrijpen. Om deze parameters te meten, zocht het team naar een specifieke golflengte van het licht dat quasars uitzenden, bekend als de magnesium-emissielijn. Normaal gesproken schijnt dit signaal in het ultraviolette golflengtegebied. Maar door de uitdijing van het heelal, waardoor de lichtgolven die de quasars uitzendt uitrekken, komt het magnesiumsignaal op aarde aan in het nabij-infrarood, dat Gemini North kan waarnemen.
De quasar, J1601+3102 genaamd, werd gevormd toen het heelal minder dan 1,2 miljard jaar oud was - slechts negen procent van zijn huidige leeftijd. Terwijl quasars een massa kunnen hebben die miljarden keren groter is dan die van onze zon, is deze quasar aan de kleine kant met een gewicht van 450 miljoen zonsmassa’s. De dubbelzijdige jets zijn asymmetrisch, zowel in helderheid als in de afstand die ze hebben afgelegd vanaf de quasar, wat erop wijst dat ze mogelijk worden beïnvloed door een extreme omgeving. Ook hebben ze verschillende vormen. “Dit lijkt erop te wijzen dat je niet per se een uitzonderlijk zwaar zwart gat of een zeer hoge accretiesnelheid nodig hebt om zulke krachtige jets te genereren in het vroege heelal”, aldus Gloudemans.
Het gebrek aan grote radio-jets in het vroege heelal werd toegeschreven aan de ruis van de kosmische microgolfachtergrondstraling - de altijd aanwezige mist van microgolfstraling die is overgebleven van de oerknal. Deze achtergrondgloed vermindert het radiolicht van zulke verre objecten en bemoeilijkt het waarnemen van grote jets.
“Alleen omdat dit object zo extreem is, kunnen we het vanaf de aarde waarnemen, ook al staat het heel ver weg,” zegt coauteur Huub Röttgering (Sterrewacht Leiden). “Dit object laat zien wat we kunnen ontdekken door de potentie van meerdere telescopen, die op verschillende golflengten werken, te combineren.” Tweede auteur Frits Sweijen (postdoctoraal onderzoeker aan Durham University en eveneens gepromoveerd aan de Sterrewacht Leiden) voegt daaraan toe: “Toen we naar dit object gingen kijken, verwachtten we dat de zuidelijke straal slechts een ongerelateerde nabije bron zou zijn. Daarom was het heel verrassend dat het LOFAR-beeld grote, gedetailleerde radiostructuren liet zien.”
Wetenschappers hebben nog steeds veel vragen over de manier waarop heldere quasars zoals J1601+3102 verschillen van andere quasars. Het blijft onduidelijk welke omstandigheden nodig zijn om zulke krachtige radio-jets te creëren, of wanneer de eerste radiojets in het heelal zijn ontstaan. Vervolgonderzoek is daarom nodig.