De XRISM-telescoop heeft voor het eerst de gasturbulentie in de Perseus Cluster in kaart gebracht. Gasstromen blijken hogere snelheden te hebben in het centrum en de buitengebieden, met minder turbulentie halverwege. Deze bevindingen wijzen erop dat het superzware zwarte gat in het centrum mogelijk een cruciale rol speelt bij het warm houden van de cluster, wat voorkomt dat het gas genoeg afkoelt om nieuwe sterren te vormen. Het XRISM-team, inclusief SRON-astronomen, publiceert hun resultaten in
De geschiedenis van het heelal is een wedstrijd tussen twee tegengestelde krachten. De zwaartekracht trekt sterrenstelsels naar elkaar toe, terwijl donkere energie ze uit elkaar duwt. Terwijl op de grote schaal donkere energie aan de winnende hand is, zijn er lokaal plekken waar de zwaartekracht wint door honderden sterrenstelsels en hun donkere materie dicht bij elkaar te trekken en zo clusters te vormen. De gecombineerde zwaartekracht van deze stelsels verzamelt gas uit de omgeving en verhit dit tot tientallen miljoenen graden; meer dan vijfduizend keer zo heet als het oppervlak van de zon. Het gas wordt een plasma dat zo heet is dat het röntgenstraling uitzendt.
Perseus Cluster
De helderste cluster aan de röntgenhemel is de Perseus Cluster. Astronomen verwachten dat dit intergalactische plasma niet simpelweg stilstaat, maar zijn eigen soort ‘weer’ heeft. De atmosfeer van Perseus is dan een storm, met gas dat rondraast met honderden kilometers per secondet. Clusters zijn echter zo groot – miljoenen lichtjaren in doorsnee – dat het onmogelijk is om deze gasbewegingen in real-time te zien.
Blauw- en roodverschuiving
Daarom hebben JAXA en NASA, samen met SRON, de XRISM-telescoop ontwikkeld. XRISM biedt astronomen een blik op het röntgenheelal door de straling op te splitsen in een breed palet aan verschillende kleuren. Verschillende chemische elementen hebben elk hun eigen kleur-vingerafdruk, en die verschuift naar blauw of rood als dat atoom naar ons toe of van ons af beweegt. Hierdoor kunnen we zien hoe snel het plasma beweegt, waardoor voor het eerst een dynamisch beeld van veel clusters ontstaat.
opvallend patroon
XRISM heeft de snelheden van het plasma in Perseus in kaart gebracht over een gebied van 800.000 lichtjaar en daarmee een opvallend patroon onthuld. De snelheidsspreiding van het plasma is ~200 km/s in het centrum van de cluster, vertraagt naar ~80 km/s als je verder naar buiten kijkt, en neemt dan weer toe richting de grotere buitenranden tot opnieuw ~200 km/s. Als je deze snelheden uitzet vanuit het centrum naar buiten, vormt dit een V-vormig profiel. Om de oorsprong van deze bewegingen te begrijpen, moeten we echter eerst de omvang van de gasstromen bepalen, wat astronomen de ‘schaal’ noemen.
Orkanen en tornado's
Gasbewegingen gedragen zich heel anders afhankelijk van hun schaal. Denk aan het verschil tussen orkanen en tornado’s. Orkanen bestrijken een veel groter gebied dan tornado’s, maar tornado’s kunnen op een klein gebied heel snel veel schade aanrichten. Meestal creëren grootschalige gasbewegingen op de kleine schaal juist chaotische bewegingen. Natuurkundigen noemen dat turbulentie. De turbulentie die je in een vliegtuig voelt, wordt vaak veroorzaakt door enorme luchtstromen die rond de aarde cirkelen. Die brengen kleinschalige wervelingen voort, die op hun beurt nog kleinere, chaotische luchtstromen creëren die je ervaart in je vliegtuigstoel.
kleinschalige bewegingen in het centrum
Iets vergelijkbaars gebeurt in het gas tussen sterrenstelsels. Omdat het centrum van een cluster veel helderder is dan de buitengebieden, meet XRISM in het centrum bewegingen op kleinere schaal dan in de buitengebieden. Dit betekent dat, hoewel de snelheidsspreiding in het centrum en de buitengebieden vergelijkbaar is, ze op totaal verschillende schalen werken. XRISM ziet sterke, kleinschalige bewegingen in het clustercentrum, die ingebed zijn in grootschalige stromen door het hele cluster heen.
superzwaar zwart gat
We weten dat de grootschalige stromen voortkomen uit de vorming en groei van de Perseus Cluster, maar wat is de oorsprong van deze kleinschalige bewegingen? De voor de hand liggende kandidaat is het superzware zwarte gat dat zich in het centrum van de cluster bevindt, tweehonderd keer zwaarder dan het centrale zwarte gat in onze eigen Melkweg. Zwarte gaten worden vaak afgeschilderd als kosmische stofzuigers die meedogenloos alles in de buurt opzuigen. In werkelijkheid zijn het opmerkelijk slordige eters: het meeste gas dat ze naar zich toe trekken, slingeren ze terug in de vorm van krachtige jets en winden. Deze stromen pompen continu energie in de omringende intergalactische atmosfeer, waarbij ze het hete gas door elkaar roeren en kleinschalige bewegingen aandrijven. XRISM ontrafelt dit dynamische proces in een cluster nu voor de allereerste keer.
Hitte voorkomt stervorming
Feedback van superzware zwarte gaten, zoals waargenomen in Perseus, zou een belangrijke oorzaak kunnen zijn voor het gebrek aan stervorming dat we zien in sterrenstelsels in het moderne heelal. De meeste sterren in het heelal werden bijna tien miljard jaar geleden gevormd, een tijd die bekend staat als cosmic noon. Sindsdien werden nieuwe sterren steeds zeldzamer. We snappen nog niet helemaal waarom, maar feedback vanuit zwarte gaten speelt mogelijk een rol. In clusters zoals Perseus zou je verwachten dat de atmosfeer na verloop van tijd afkoelt en zo stervorming aanwakkert. Toch is er iets dat de atmosfeer blijft verhitten. Feedback is hiervoor de voornaamste kandidaat, maar het blijft giswerk hoe het zwarte gat communiceert met het gas. XRISM’s nieuwe bevindingen wijzen erop dat turbulentie, aangedreven door het zwarte gat, mogelijk een belangrijke rol speelt bij het warm houden van de clusteratmosfeer.