Zwart gat in Quasar J0100+2802 stopt stervorming

Superzware zwarte gaten functioneren als "kosmische roofdieren" die stervorming niet alleen in hun eigen gaststelsels kunnen onderdrukken, maar ook in naburige systemen op miljoenen lichtjaren afstand. Nieuw onderzoek onder leiding van de University of Arizona wijst uit dat de intense straling die wordt uitgezonden door actieve zwarte gaten — bekend als quasars — het koude moleculaire waterstofgas dat nodig is voor de geboorte van sterren, verhit en verspreidt. Deze ontdekking, gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters op 3 december 2025, suggereert dat de evolutie van sterrenstelsels een onderling verbonden "groepsinspanning" is in plaats van een geïsoleerd proces, wat ons begrip van de groei van het vroege universum fundamenteel verandert.

De studie, geleid door postdoctoraal onderzoeker Yongda Zhu aan het Steward Observatory, maakte gebruik van de ongekende gevoeligheid van de James Webb Space Telescope (JWST) om het verre universum te bestuderen. Door de omgeving rond een van de meest massieve zwarte gaten ooit ontdekt te onderzoeken, identificeerde het team een "onderdrukkingszone" waar de stervorming aanzienlijk was belemmerd. Deze bevinding biedt een langgezochte verklaring voor de vraag waarom sommige vroege sterrenstelsels "dood" of rustend lijken, ondanks het feit dat ze zich in gasrijke omgevingen bevinden.

Wat is quasar J0100+2802 en waarom is het belangrijk?

Quasar J0100+2802 is een hyperlichtsterke actieve galactische kern op een afstand van 12,8 miljard lichtjaar, aangedreven door een superzwaar zwart gat met een massa van 12 miljard keer die van de zon. Dit object, dat slechts 900 miljoen jaar na de oerknal verscheen, is van cruciaal belang omdat de extreme lichtkracht — 420 biljoen keer die van onze zon — fungeert als een kosmische vuurtoren, waardoor astronomen de condities van het intergalactisch medium tijdens het tijdperk van reïonisatie kunnen onderzoeken.

Waarnemingen van J0100+2802 vormen een venster naar de kindertijd van het universum en bieden een laboratorium om de co-evolutie van zwarte gaten en sterrenstelsels te bestuderen. Omdat dit zwarte gat zo massief en actief is, dient het als een extreme casestudy voor radiatieve feedback. De energie die vrijkomt wanneer materie in de gebeurtenishorizon spiraalt, creëert een wervelende schijf van gas en stof die feller straalt dan zijn gehele gaststelsel, waardoor het zichtbaar is over de enorme uitgestrektheid van ruimte en tijd.

Het belang van J0100+2802 ligt in zijn recordbrekende statistieken en zijn plaatsing in de kosmische tijdlijn:

• Massa: Ongeveer 12 miljard zonnemassa's.
• Lichtkracht: Gelijk aan 420 biljoen zonnen.
• Roodverschuiving: z = 6,30, daterend uit de tijd dat het universum minder dan 1 miljard jaar oud was.
• Afstand: 12,8 miljard lichtjaar van de aarde.

Kunnen superzware zwarte gaten fungeren als kosmische roofdieren?

Superzware zwarte gaten treden op als kosmische roofdieren door intense straling uit te zenden die naburige sterrenstelsels ontdoet van het koude gas dat nodig is voor stervorming. Dit proces, intergalactische feedback genoemd, houdt in dat de quasar lokale materie "consumeert" terwijl hij tegelijkertijd enorme hoeveelheden energie ontketent die het ecologische evenwicht van het omringende kosmische web verstoren, waardoor naburige sterrenstelsels effectief worden uitgehongerd in hun groeipotentieel.

Traditionele modellen van galactische evolutie gingen ervan uit dat sterrenstelsels grotendeels onafhankelijk van elkaar waren vanwege de enorme afstanden tussen hen. Yongda Zhu en zijn team aan de University of Arizona ontdekten echter dat een enkel hyperactief zwart gat een invloedssfeer kan uitoefenen die zich uitstrekt over ten minste één miljoen lichtjaar. Binnen deze straal splitst de straling van de quasar moleculair waterstof — de primaire brandstof voor sterren — in een geïoniseerde toestand die niet onder invloed van de zwaartekracht kan instorten om nieuwe stellaire objecten te vormen.

Dit "roofzuchtige" gedrag creëert een rimpeleffect door het hele lokale galactische ecosysteem. Net als een toproofdier in een aardse omgeving, dicteert de centrale quasar de populatie en groei van de "soorten" (sterrenstelsels) om hem heen. Door te voorkomen dat gas in naburige systemen afkoelt, zorgt het zwarte gat ervoor dat deze sterrenstelsels klein en onderontwikkeld blijven, waardoor hun evolutionaire voortgang voortijdig tot stilstand wordt gebracht.

Hoe tonen JWST-gegevens de onderdrukte stervorming nabij quasars aan?

JWST-gegevens onthullen onderdrukte stervorming door de meting van O III-emissies (dubbel geïoniseerd zuurstof), die dienen als een chemische tracer voor recente stellaire activiteit. Met behulp van de NIRCam- en NIRSpec-instrumenten namen onderzoekers waar dat sterrenstelsels binnen een straal van een miljoen lichtjaar van quasar J0100+2802 aanzienlijk zwakkere O III-signalen vertoonden in verhouding tot hun ultraviolette licht, wat wijst op een gebrek aan nieuwe stervorming.

De James Webb Space Telescope was essentieel voor deze ontdekking omdat de uitdijing van het heelal het licht van deze vroege sterrenstelsels heeft uitgerekt naar het infrarode spectrum. Eerdere observatoria, zoals Hubble, misten de infraroodgevoeligheid om de zwakke signalen van geïoniseerd zuurstof op zulke extreme afstanden te detecteren. De hogeresolutiegegevens van JWST stelden de onderzoekers in staat om onderscheid te maken tussen het licht van de quasar en de subtiele signaturen van de omringende 117 sterrenstelsels die in de studie werden geïdentificeerd.

Interessant genoeg dacht het team aanvankelijk dat de telescoop mogelijk defect was toen ze minder sterrenstelsels zagen dan verwacht in de buurt van de quasar. "We waren verbaasd," zei Zhu. "Toen realiseerden we ons dat de sterrenstelsels er misschien wel waren, maar moeilijk te detecteren omdat hun zeer recente stervorming was onderdrukt." Deze onderdrukking wordt bewezen door de lagere ratio van O III-emissie, wat bevestigt dat de radiatieve feedback van het zwarte gat de koude gaswolken in deze naburige systemen heeft bereikt en verstoord.

Belangrijke technologische factoren die dit onderzoek mogelijk maakten, zijn onder meer:

• NIRCam-beeldvorming: Legde beelden met hoge resolutie vast van sterrenstelsels in het vroege universum.
• NIRSpec-spectroscopie: Maakte de nauwkeurige meting van chemische elementen zoals zuurstof en waterstof mogelijk.
• Infraroodgevoeligheid: Overwon de obstakels van roodverschuiving die eerdere telescopen hinderden.
• Breed gezichtsveld: Bracht de distributie van sterrenstelsels over een straal van een miljoen lichtjaar in kaart.

De implicaties van dit onderzoek strekken zich uit tot ons eigen Melkwegstelsel. Astronomen geloven dat ons centrale zwarte gat, Sagittarius A*, in het verre verleden waarschijnlijk een quasar-fase heeft doorgemaakt. Het begrijpen van hoe oude quasars zoals J0100+2802 hun omgeving beïnvloedden, helpt wetenschappers de geschiedenis van onze lokale groep sterrenstelsels en de bredere architectuur van het kosmische web te reconstrueren.

Vooruitblikkend is het team van de University of Arizona van plan hun onderzoek uit te breiden naar andere quasarvelden om te bepalen of dit "roofzuchtige" gedrag een universeel kenmerk is van alle superzware zwarte gaten. Als deze bevindingen standhouden in meerdere regio's van het vroege universum, zullen wetenschappers hun simulaties van hoe de eerste structuren in de kosmos werden gevormd, drastisch moeten herzien. De James Webb Space Telescope zal het belangrijkste instrument blijven voor deze onderzoeken, waarbij de lagen van de tijd worden afgepeld om te onthullen hoe de meest gewelddadige objecten van het universum de rustige sterrenstelsels hebben gevormd die we vandaag de dag waarnemen.