Astronomen hebben eindelijk bewijs in een kosmische cold case: waarom de grootste sterrenstelsels in het heelal zoveel sterren missen. Nieuwe gegevens van de X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) suggereren dat superzware zwarte gaten de boosdoeners zijn, die het gas wegblazen dat nodig is om sterren te vormen.

Huidige modellen voorspellen dat de meest massieve sterrenstelsels zouden moeten barsten van de stellaire massa, maar waarnemingen tonen een aanzienlijk tekort. Xin "Cindy" Xiang, promovenda aan de Universiteit van Michigan, gebruikte XRISM-gegevens om een van de belangrijkste verklaringen te onderzoeken en vond bewijs dat rechtstreeks naar zwarte gaten wijst.

De meeste mensen kennen zwarte gaten als objecten waarvan de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Zwarte gaten kunnen echter ook extreem heldere gebieden om zich heen creëren. Terwijl gas en stof naar binnen spiraliseren, vormen ze een accretieschijf die enorme hoeveelheden energie uitstraalt, waaronder krachtige röntgenstraling.

Accretieschijven behoren tot de meest energetische omgevingen in het heelal. Materiaal dat naar het zwarte gat valt, wordt door zwaartekracht en wrijving verhit tot het een extreem heet plasma wordt. Tegelijkertijd kan de schijf krachtige uitstromen van materie lanceren.

Deze winden kunnen sterk genoeg zijn om gas uit een sterrenstelsel te vegen. Omdat gas de grondstof is voor nieuwe sterren, kunnen dergelijke uitstromen de toekomstige stervorming aanzienlijk verminderen.

Gegevens van XRISM ondersteunen die mogelijkheid. De missie wordt geleid door het Japanse ruimtevaartagentschap JAXA in samenwerking met NASA en de Europese Ruimtevaartorganisatie.

"Voorheen, zonder XRISM, konden we alleen brede kenmerken van de uitstromen zien," zei Xiang. "Maar je moet fijne details kunnen onderscheiden om belangrijke vragen te beantwoorden. Wat is hun structuur en geometrie? Hoe worden de winden gelanceerd en wanneer worden ze gelanceerd?"

XRISM, gelanceerd in 2023, begon in de herfst van 2024 met wetenschappelijke waarnemingen. De energie resolutie is ongeveer tien keer beter dan die van zijn voorganger, waardoor astronomen de omgeving van zwarte gaten in veel meer detail kunnen bestuderen.

Xiang en haar medewerkers hebben zich gericht op NGC 4151, een helder sterrenstelsel op iets meer dan 50 miljoen lichtjaar van de aarde. In het centrum bevindt zich een actieve galactische kern (AGN), waar een superzwaar zwart gat actief materiaal consumeert en een lichtgevende accretieschijf genereert. Dit maakt NGC 4151 een ideaal laboratorium om door zwarte gaten aangedreven uitstromen te bestuderen.

"Met XRISM hebben we de hoogste resolutie om de helderste AGN waar te nemen en krijgen we de rijkste informatie over uitstromen die we tot nu toe voor een accretieschijf hebben waargenomen," zei Xiang.

Samen met Jon Miller, hoogleraar astronomie aan de Universiteit van Michigan, toonde Xiang eerder aan dat winden van de accretieschijf van NGC 4151 snelheden kunnen bereiken die hoog genoeg zijn om materiaal uit het systeem te werpen. Ze identificeerde ook het waarschijnlijke mechanisme dat deze uitstromen aandrijft - magnetocentrifugaal aandrijving, vergelijkbaar met wat zonnevlammen veroorzaakt.

Op de 248e bijeenkomst van de American Astronomical Society in Pasadena, Californië, presenteerde Xiang een nieuwe methode om te bepalen wanneer de krachtige winden van NGC 4151 actief zijn. De aanpak kan onderzoekers helpen om vergelijkbare uitstromen in andere sterrenstelsels te identificeren en het begrip van AGN in het hele universum te verbeteren.

Omdat AGN-winden in de loop van de tijd dramatisch kunnen veranderen, had Xiang een manier nodig om te bepalen wanneer de snelste en sterkste uitstromen plaatsvonden. Om dit te doen, analyseerde ze honderden dagen aan XRISM-waarnemingen van NGC 4151.

Haar werk richtte zich op perioden waarin de röntgenproductie van het sterrenstelsel oplichtte in fakkels en op hoe het röntgensignaal in de uren daarna evolueerde.

Naast het meten van de helderheid, bestudeerde Xiang of de gedetecteerde röntgenstraling relatief hard of zacht was, een eigenschap vergelijkbaar met kleur in zichtbaar licht. Ze combineerde deze metingen tot een nieuwe metriek genaamd de kleurintensiteitsindex. Miller stelde voor de naam in te korten tot "cindicity".

"Deels omdat mijn naam Cindy is," zei Xiang. "Maar het idee is dat je me in de toekomst de cindicity van je bron kunt vertellen op dit moment."