BOTSENDE BOTSENDE MELKWEGSTELSELSMELKWEGSTELSELS

Melkwegstelsels bevatten zwarte gaten Melkwegstelsels bevatten zwarte gaten Zwarte gaten zijn de kernen van quasarsZwarte gaten zijn de kernen van quasarsHoe zouden quasars kunnen ontstaan?Hoe zouden quasars kunnen ontstaan?

C. de JagerC. de Jager

MelkwegstelselsMelkwegstelsels

Verzamelingen van gas, stof, oude Verzamelingen van gas, stof, oude en jonge sterrenen jonge sterren

Zwart gat in kern melkwegstelsels Zwart gat in kern melkwegstelsels

De melkweg gezien van het De melkweg gezien van het zuidelijk halfrondzuidelijk halfrond

Een balkspiraal; Een balkspiraal; voorbeeld van ons voorbeeld van ons

eigen stelseleigen stelsel

Gedetailleerde Structuur van ons Gedetailleerde Structuur van ons

melkwegstelselmelkwegstelsel massa: 10massa: 101212 zonsmassa; afmeting 100.000 zonsmassa; afmeting 100.000 lichtjaarlichtjaar ( (maar tot twee maal verder zien we materiaal dat bij het maar tot twee maal verder zien we materiaal dat bij het

melkwegstelsel hoort)melkwegstelsel hoort)

Ons stelsel behoort tot een grote Ons stelsel behoort tot een grote groep.groep.De Virgo cluster is een andere groepDe Virgo cluster is een andere groep

Veel groepen in ‘nabij’ deel Veel groepen in ‘nabij’ deel heelalheelal

Stelsels aan de grens van het Stelsels aan de grens van het zichtbare deel van het heelalzichtbare deel van het heelal

Hoeveel?Hoeveel?

• Schatting: 100 tot 1000 miljard stelsels in Schatting: 100 tot 1000 miljard stelsels in het zichtbare deel van het heelalhet zichtbare deel van het heelal

• Maar we kunnen niet verder zien dan 13,7 Maar we kunnen niet verder zien dan 13,7 miljard lichtjaren; heelal is 13,7 mjrd jaar miljard lichtjaren; heelal is 13,7 mjrd jaar oudoud

• Het heelal is in werkelijkheid nog veel Het heelal is in werkelijkheid nog veel groter; hoeveel maal groter is onbekendgroter; hoeveel maal groter is onbekend

• Dus is het totaal aantal stelsels ook veel Dus is het totaal aantal stelsels ook veel groter dan 100 tot 1000 miljard groter dan 100 tot 1000 miljard

Melkwegstelsels en zwarte Melkwegstelsels en zwarte gaten gaten

Zwart gat in ons Zwart gat in ons melkwegstelselmelkwegstelsel

Bevat de kern van elk stelsel Bevat de kern van elk stelsel een extreem zwaar zwart gat?een extreem zwaar zwart gat?

De kern van ons eigen De kern van ons eigen stelselstelsel

Goed onderzocht: de ster Goed onderzocht: de ster S2S2Grote as van baan ≈ 700 AE; aantrekkende massa ca. 4 Grote as van baan ≈ 700 AE; aantrekkende massa ca. 4

miljoen zonmiljoen zon

Sombrero stelsel:zwart gat van Sombrero stelsel:zwart gat van miljard zonsmassa’s miljard zonsmassa’s

Zwart gat in elk Zwart gat in elk melkwegstelsel?melkwegstelsel?

• Steeds als een stelsel goed Steeds als een stelsel goed onderzocht is, blijkt er een zwaar onderzocht is, blijkt er een zwaar zwart gat in voor te komenzwart gat in voor te komen

• Dit leidt tot het vermoeden dat in elk Dit leidt tot het vermoeden dat in elk stelsel een zwart gat voorkomtstelsel een zwart gat voorkomt

• Eén zwart gat of misschien meer dan Eén zwart gat of misschien meer dan één? één?

Actieve stelsels en Actieve stelsels en quasarsquasars

Actief stelsel: het kerngedeelte straalt Actief stelsel: het kerngedeelte straalt uitzonderlijk veel licht uit.uitzonderlijk veel licht uit.

Ook sterke radio- en/of röntgenstraling.Ook sterke radio- en/of röntgenstraling.Dit duidt op extreme temperaturen Dit duidt op extreme temperaturen

M87: actief stelsel met zwart gat van 2 M87: actief stelsel met zwart gat van 2 - 3 miljard zonsmassa’s. Zendt - 3 miljard zonsmassa’s. Zendt gasstraal uit.gasstraal uit.

De gasstraal uit M87De gasstraal uit M87

• Lengte: ca. 5000 lichtjarenLengte: ca. 5000 lichtjaren

• Uit radiostraling blijkt: snelle elektronen Uit radiostraling blijkt: snelle elektronen verlaten zwart gatverlaten zwart gat

• Snelheid is slechts iets kleiner dan die van Snelheid is slechts iets kleiner dan die van het licht (300.000 km per seconde) het licht (300.000 km per seconde)

• Gas wordt bijeengehouden door Gas wordt bijeengehouden door magnetisch veld magnetisch veld

• Hoge temperatuur: zendt röntgenstraling Hoge temperatuur: zendt röntgenstraling en radiostraling uit en radiostraling uit

Soortgelijk fenomeen: NGC 4261. Soortgelijk fenomeen: NGC 4261. Gasstraal is indirect Gasstraal is indirect afkomstig van afkomstig van

groei (accretie) schijfgroei (accretie) schijf om zwart om zwart

gatgat

Groei- of accretieschijf Groei- of accretieschijf

• Om zwart gat circuleert veel gas, zoals planeten Om zwart gat circuleert veel gas, zoals planeten om de zon circulerenom de zon circuleren

• Door onderlinge botsingen van gasdeeltjes of Door onderlinge botsingen van gasdeeltjes of gaswolken verliest het gas rotatiemoment gaswolken verliest het gas rotatiemoment

• Zo komt het gas steeds dichter bij de schijf; het Zo komt het gas steeds dichter bij de schijf; het krijgt daar dus grotere snelheid; botsingen van krijgt daar dus grotere snelheid; botsingen van gasdeeltjes leveren bij naderen tot het zwarte gat gasdeeltjes leveren bij naderen tot het zwarte gat steeds hogere temperaturensteeds hogere temperaturen

• Gas valt uiteindelijk in het zwarte gatGas valt uiteindelijk in het zwarte gat• Gas dat niet in het gat kan vallen stroomt polair Gas dat niet in het gat kan vallen stroomt polair

uit, bijeengehouden door magnetisch veld uit, bijeengehouden door magnetisch veld

Bundel gas bijeengehouden Bundel gas bijeengehouden door magnetisch velddoor magnetisch veld

Andere weergave van hetzelfde Andere weergave van hetzelfde procesproces

Hoe ontstaan deze Hoe ontstaan deze extreme zwarte gaten? extreme zwarte gaten?

Vermoedelijk door opbouw uit minder Vermoedelijk door opbouw uit minder zware zwarte gaten; in het vroege zware zwarte gaten; in het vroege heelal kwamen veel extreem zware heelal kwamen veel extreem zware

sterren voor; leefden vrij kort en sterren voor; leefden vrij kort en eindigden als zwart gat eindigden als zwart gat

Stelsel 0402+379Stelsel 0402+379

• Twee zwarte gaten in kern Twee zwarte gaten in kern • Draaien om elkaarDraaien om elkaar• Verliezen rotatiemoment Verliezen rotatiemoment

door wisselwerking in door wisselwerking in verbindende gassliertenverbindende gasslierten

• Komen zo dichter bij elkaar Komen zo dichter bij elkaar • Kunnen zo een enkel zwart Kunnen zo een enkel zwart

gat wordengat worden• Vermoedelijk zijn de Vermoedelijk zijn de

superzware zwarte gaten superzware zwarte gaten ontstaan door herhaalde ontstaan door herhaalde accumulatieaccumulatie

Essentie van deze theorieEssentie van deze theorie

Een zwart gat ontstaat in een eerder Een zwart gat ontstaat in een eerder gevormd melkwegstelsel door gevormd melkwegstelsel door

accumulatie van zwarte gaten,die op accumulatie van zwarte gaten,die op hun beurt zijn ontstaan uit stervende hun beurt zijn ontstaan uit stervende

zeer zware sterrenzeer zware sterren

Alternatieve theorieAlternatieve theorie

• In een recente alternatieve theorie zouden In een recente alternatieve theorie zouden eerst de extreme zwarte gaten zijn ontstaan – eerst de extreme zwarte gaten zijn ontstaan – in de beginfase van het heelal, pas daarna in de beginfase van het heelal, pas daarna het stelsel het stelsel

• Deze zwarte gaten zouden kunnen fungeren Deze zwarte gaten zouden kunnen fungeren als kernen voor nog te vormen als kernen voor nog te vormen melkwegstelselsmelkwegstelsels

• Het bewijs van deze stellinmg: er komen Het bewijs van deze stellinmg: er komen namelijk ook enige ‘naakte’ zware zwarte namelijk ook enige ‘naakte’ zware zwarte gaten voor – voorbeeld HE0450-2958 gaten voor – voorbeeld HE0450-2958

HE0450-2958 –’naakt’ zwart HE0450-2958 –’naakt’ zwart gatgatlinks: naakt zwart gat nabij melkwegstelsel; rechts links: naakt zwart gat nabij melkwegstelsel; rechts normaal maar zeer actief zwart gatnormaal maar zeer actief zwart gat

Samenhang zwart gat - Samenhang zwart gat - stelsel stelsel • De theorie onderstelt dat een stelsel zich De theorie onderstelt dat een stelsel zich

naderhand om een zwart gat kan vormennaderhand om een zwart gat kan vormen• Het zwarte gat zou dan gas uit de Het zwarte gat zou dan gas uit de

omgeving aantrekkenomgeving aantrekken• Maar in het voorbeeld van HE0450-2958 Maar in het voorbeeld van HE0450-2958

staat het zwarte gat wel verdacht dicht bij staat het zwarte gat wel verdacht dicht bij een melkwegstelseleen melkwegstelsel

• Deze recente hypothese wordt Deze recente hypothese wordt ondergraven door een nog recenter ondergraven door een nog recenter ontdekking ontdekking

Zwart gat uitgestoten uit Zwart gat uitgestoten uit melkwegstelselmelkwegstelsel

Dit Dit wordtwordt dus een ‘naakt’ zwart gat dus een ‘naakt’ zwart gat

Hoe weten we dat? Hoe weten we dat?

• Uit de uitgezonden Röntgenstraling Uit de uitgezonden Röntgenstraling blijkt dat we hier te doen hebben met blijkt dat we hier te doen hebben met gas dat met bijna-lichtsnelheid om gas dat met bijna-lichtsnelheid om een bron circuleert een bron circuleert

• De temperatuur en helderheid wijst De temperatuur en helderheid wijst op zwart gatop zwart gat

• Het object verwijdert zich van het Het object verwijdert zich van het stelsel CXO J122518+144545 (M. stelsel CXO J122518+144545 (M. Heida, Utrecht) Heida, Utrecht)

Hoe kan een zwart gat uit een Hoe kan een zwart gat uit een stelsel gestoten worden?stelsel gestoten worden?• Bij ontmoeting met een ander zwart gat in Bij ontmoeting met een ander zwart gat in

een melkwegstelsel kunnen grote een melkwegstelsel kunnen grote snelheden ontstaansnelheden ontstaan

• Soms zo groot dat een van die zwarte Soms zo groot dat een van die zwarte gaten uit het stelsel vliegtgaten uit het stelsel vliegt

• Maar daar zijn wel speciale condities voor Maar daar zijn wel speciale condities voor nodig; met name ander lichaam dat nodig; met name ander lichaam dat rotatiemoment opneemt of levert rotatiemoment opneemt of levert

• Uit een groep van Uit een groep van driedrie zwarte gaten zou zwarte gaten zou het al veel makkelijker zijn (uitwisseling het al veel makkelijker zijn (uitwisseling van rotatiemoment) van rotatiemoment)

QuasarsQuasars

De meest lichtsterke objecten De meest lichtsterke objecten in ons heelalin ons heelal

Quasar: quasi stellar radio Quasar: quasi stellar radio sourcesource

• Eind jaren ’50 werden ster-achtige Eind jaren ’50 werden ster-achtige objecten ontdekt, die radiostraling objecten ontdekt, die radiostraling uitzonden – sterren? uitzonden – sterren?

• Dat werd in die tijd voor onmogelijk Dat werd in die tijd voor onmogelijk gehoudengehouden

• Het bleken geen sterren te zijn maar Het bleken geen sterren te zijn maar fel stralende kernen van ver liggende fel stralende kernen van ver liggende stelsels (Maarten Schmidt) stelsels (Maarten Schmidt)

De helderste quasar: 3C273De helderste quasar: 3C273Afstand: 2,4 miljard lichtjaar; massa: 900 miljoen Afstand: 2,4 miljard lichtjaar; massa: 900 miljoen

zonnemassa’szonnemassa’s

Het mechanisme: zeer actief Het mechanisme: zeer actief zwart gat in de kern van een zwart gat in de kern van een quasarquasar• Om het zwarte gas Om het zwarte gas

een groeischijfeen groeischijf

• Daaromheen een Daaromheen een absorberende torusabsorberende torus

• Twee soorten, I en IITwee soorten, I en II

• I: we zien de bron van I: we zien de bron van bovenboven

• II: van de zijkant; de II: van de zijkant; de bron zelf is bron zelf is onzichtbaar onzichtbaar

Opengesneden schets van een type II Opengesneden schets van een type II quasarquasar

Quasars vooral in het vroege Quasars vooral in het vroege heelalheelal

InterpretatieInterpretatie

• Roodverschuivingparameter z = v/c, met v Roodverschuivingparameter z = v/c, met v = snelheid van verwijderen en c = = snelheid van verwijderen en c = lichtsnelheid lichtsnelheid

• Het diagram toont z waarden groter dan 1; Het diagram toont z waarden groter dan 1; maar dat kan toch niet?maar dat kan toch niet?

• Toch wel: voor grote z (>~ 0,5) is Toch wel: voor grote z (>~ 0,5) is z = (1+v/c).z = (1+v/c).γγ – 1 – 1

• Hier is Hier is γγ de Lorentz factor; waarde hangt af de Lorentz factor; waarde hangt af van het heelalmodel en van v van het heelalmodel en van v

• Zo blijft ook voor grote z waarden de Zo blijft ook voor grote z waarden de verwijderingsnelheid steeds kleiner dan c verwijderingsnelheid steeds kleiner dan c

Gevolgen van het diagram Gevolgen van het diagram

• Voor z ≈ 1 is de verwijderingsnelheid al dicht Voor z ≈ 1 is de verwijderingsnelheid al dicht bij c en zien we objecten aan de rand van het bij c en zien we objecten aan de rand van het zichtbare heelalzichtbare heelal

• Blijkbaar waren er toen ca. tien maal meer Blijkbaar waren er toen ca. tien maal meer quasars dan in onze omgevingquasars dan in onze omgeving, waar we , waar we objecten zien uit een meer recente fase van objecten zien uit een meer recente fase van het leven van het heelal het leven van het heelal

• De vraag: heeft dat te maken met het De vraag: heeft dat te maken met het ontstaan van quasars? Meer botsingen in ontstaan van quasars? Meer botsingen in vroeg heelal?vroeg heelal?

Meer botsingen in het Meer botsingen in het vroege heelal?vroege heelal?

Alles zat dichter bij elkaarAlles zat dichter bij elkaar

Dus de kans op botsing en Dus de kans op botsing en versmelting van versmelting van

melkwegstelsels was toen melkwegstelsels was toen groter dan nu groter dan nu

Een beroemd botsend stelsel: Een beroemd botsend stelsel: het het Antenne systeemAntenne systeem

De antenne, langer belicht, De antenne, langer belicht, toont gevolg van toont gevolg van getijdenwerking getijdenwerking

Een ander botsend stelsel: Een ander botsend stelsel: NGC7252. ook hier zien we NGC7252. ook hier zien we getijdenwerkinggetijdenwerking

Verbindende gasstrookVerbindende gasstrook

Stervorming bij botsingStervorming bij botsingper knobbel voldoende materiaal voor 100.000 per knobbel voldoende materiaal voor 100.000 sterrensterren

De dans van twee De dans van twee stelselsstelsels

Doordringende botsing ?Doordringende botsing ?

Cen A = NGC5128. Cen A = NGC5128. Sterkste radiobron – botsend Sterkste radiobron – botsend stelselstelsel

En nog veel meer En nog veel meer voorbeeldenvoorbeelden

Recent ontdekt: Stelsel SDSS Recent ontdekt: Stelsel SDSS J0123+00J0123+00NB: een quasar aan einde van de straal!NB: een quasar aan einde van de straal! Let op de schaal: breedte van afbeelding is ca. 900.000 Let op de schaal: breedte van afbeelding is ca. 900.000

lichtjarenlichtjaren

InterpretatieInterpretatie

• Het diagram toont twee melkwegstelselsHet diagram toont twee melkwegstelsels• Ze zijn verbonden door een gasstraal van Ze zijn verbonden door een gasstraal van

180 kpc ≈ 600.000 lichtjaar 180 kpc ≈ 600.000 lichtjaar • Dat is ca. 6 maal de diameter van ons Dat is ca. 6 maal de diameter van ons

eigen melkwegstelseleigen melkwegstelsel• Het stelsel aan net eind van de gasstraal Het stelsel aan net eind van de gasstraal

bevat een quasar bevat een quasar • Heeft het ‘naastliggende’ stelsel (het Heeft het ‘naastliggende’ stelsel (het

derde stelsel) hiermee te maken? derde stelsel) hiermee te maken?

Getijdenwerking werpt quasar Getijdenwerking werpt quasar uituit

• Een quasar aan het uiteinde van de Een quasar aan het uiteinde van de gasstraalgasstraal

• Hypothese: de activiteit van de quasar is Hypothese: de activiteit van de quasar is resultaat van getijdenwerkingresultaat van getijdenwerking

• Deze getijdenwerking is op zijn beurt Deze getijdenwerking is op zijn beurt gevolg van de ontmoeting van de stelselsgevolg van de ontmoeting van de stelsels

• Gas dat vrijkomt bij de wisselwerking stort Gas dat vrijkomt bij de wisselwerking stort in het zwarte gas en activeert de quasarin het zwarte gas en activeert de quasar

• Zo zou ook een ‘naakte quasar’ kunnen Zo zou ook een ‘naakte quasar’ kunnen ontstaanontstaan

SamengevatSamengevat

• Wat was er eerder: zwart gat of Wat was er eerder: zwart gat of melkwegstelsel?melkwegstelsel?

• We weten het niet, maar vermoedelijk We weten het niet, maar vermoedelijk toch wel het melkwegstelseltoch wel het melkwegstelsel

• De ontmoeting tussen melkwegstelsels De ontmoeting tussen melkwegstelsels is een nieuw terrein van onderzoek dat is een nieuw terrein van onderzoek dat stellig veel verrassingen zal leveren stellig veel verrassingen zal leveren

Tot slot: de komende botsing Tot slot: de komende botsing van M31 met ons van M31 met ons melkwegstelselmelkwegstelsel• Naderen elkaar met ca. 350 km/secondeNaderen elkaar met ca. 350 km/seconde

• Dus botsing over ca.2,5 miljard jaarDus botsing over ca.2,5 miljard jaar

• Een frontale botsing zou 100 miljoen jaar duren Een frontale botsing zou 100 miljoen jaar duren

• Zal sterke stervorming veroorzakenZal sterke stervorming veroorzaken

• Bij frontale botsing wisselwerking tussen de Bij frontale botsing wisselwerking tussen de twee zwarte gaten, maar of de botsing centraal twee zwarte gaten, maar of de botsing centraal zal zijn is nu nog een geheel open vraag. zal zijn is nu nog een geheel open vraag.

• En vorming van een quasar (?). En vorming van een quasar (?).

De presentatie nader zien ? De presentatie nader zien ? www.cdejager.com/presentatiwww.cdejager.com/presentatieses

ga naar ‘botsende stelsels’ ga naar ‘botsende stelsels’

Voor eventuele Voor eventuele achtergrondinformatie zie ook de achtergrondinformatie zie ook de presentaties ‘Zwarte gaten’ en presentaties ‘Zwarte gaten’ en ‘Ontstaan van melkwegstelsels’‘Ontstaan van melkwegstelsels’