Nieuwe methode om gasstromen vanuit sterrenstelselkernen te bestuderen als voorbereiding op Athena

Sterrenkundige foto’s zijn vaak bezaaid met sterren uit de Melkweg. Maar pas op, soms zit er een wolf in schaapskleren tussen. In plaats van simpele sterren zijn sommige stippen eigenlijk het centrum van een compleet sterrenstelsel. Ze bewaren een grote afstand om zich voor te doen als een vage stip en op te gaan in de massa. Daarmee hebben ze astronomen decennialang voor de gek weten te houden, tot aan de jaren ’50, en daarom noemen we ze quasi-stellar objects, of kortweg quasars. Sterrenkundigen ontdekten dat het spectrum van sommige stippen erg roodverschoven was, wat duidt op een verre afstand waarvandaan een ster onzichtbaar zou zijn vanaf de aarde.

Uiteindelijk realiseerden astronomen zich dat het licht van quasars moet komen vanuit de kernen van sterrenstelsels—genaamd Active Galactic Nuclei (AGN)—waarschijnlijk aangedreven door superzware zwarte gaten. Kosmologische modellen voorspellen dat deze AGN de motoren zijn die de levensloop van sterrenstelsels veranderen, door grote hoeveelheden materiaal uit hun omgeving aan te trekken en weer wegblazen.

Elisa Costantini en haar team bij SRON Netherlands Institute for Space Research, onder wie Anna Juranova, en in samenwerking met Phil Uttley van de Universiteit van Amsterdam, bestuderen deze gasstromen vanuit AGN met gebruik van röntgentelescopen in de ruimte. In voorbereiding op de lancering van ESA’s nieuwe röntgenmissie Athena—die wordt gelanceerd in de jaren 2030 en met een substantiële bijdrage van SRON—heeft het team een nieuwe methode ontwikkeld om AGN-gasstromen te bestuderen. De helderheid van een AGN kan sterk variëren, vooral in het röntgendeel van zijn spectrum. De onderzoekers gaan Athena’s spectra gebruiken om te zien hoe de gasstromen reageren op deze helderheidsvariaties.

‘Uiteindelijk willen we begrijpen wat de gasstromen aandrijft en wat ze teweegbrengen binnen hun sterrenstelsel,’ zegt eerste auteur Juranova. ‘Daarvoor moeten we de dichtheid en locatie kennen van de gasstroom. En om dat te weten hebben we informatie nodig over de tijdschaal waarop het licht van de AGN het uitstromende gas ioniseert. Dankzij onze simulaties hebben we een nieuwe manier gevonden om dit te meten in gasstromen met verschillende eigenschappen. Wanneer we de echte data van Athena krijgen, kunnen we die vergelijken met onze modellen en bepalen welke het beste past bij de observaties.’

Om de gasstromen te identificeren op basis van hun gedrag, gebruikt het team zogenoemde frequentie-analyse. Juranova: ‘Vergelijk het met de temperatuur in Nederland. Die gaat op en neer in een dagelijkse cyclus, maar ook in een jaarlijkse cyclus. Met de analyse die we gebruiken kun je makkelijk de verschillende type veranderingen onderscheiden, omdat ze op de frequenties van die twee cycli plaatsvinden. En dat is erg handig omdat we zo elk proces individueel kunnen bestuderen. Op dezelfde manier verandert het licht van de AGN door de tijd heen vanwege processen die op verschillende tijdschalen plaatsvinden, van uren tot jaren, en dus helpt ook daar de frequentie-analyse om te begrijpen wat er gebeurt.’

A. Juránová, E. Costantini, P. Uttley, ‘Spectral-timing of AGN ionized outflows with Athena’, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society