Astronomen gebruiken de X-ray Imaging and Spectroscopie Mission (XRISM) om belangrijke vooruitgang te boeken bij een probleem dat de kosmologische gemeenschap al lang in verwarring brengt: waarom sommige massieve sterrenstelsels veel minder sterren bevatten dan theoretisch verwacht. Het antwoord van het laatste onderzoek van de Universiteit van Michigan is dat het superzware zwarte gat, dat zich in het centrum van de Melkweg heeft verschanst, het gasmateriaal dat nodig is om nieuwe sterren uit de Melkweg voort te brengen, zal verdrijven door middel van een sterke ‘galactische wind’, waardoor de stervorming wordt geremd.

Volgens de huidige modellen van de vorming en evolutie van sterrenstelsels zou dit type reuzenstelsel een veel grotere massa en een veel groter aantal sterren moeten hebben gehad. Observatiegegevens laten echter zien dat veel sterrenstelsels in werkelijkheid duidelijk ‘uitgehongerd zijn’. Het onderzoeksteam wees erop dat wanneer het materiaal rond het zwarte gat met geweld wordt verwarmd en weg van de Melkweg wordt versneld, het koude gas dat wordt gebruikt om voortdurend nieuwe sterren in de Melkweg te genereren, in grote hoeveelheden wordt verbruikt of weggestript. Dit feedbackproces kan de kernoorzaak zijn van het ‘sterrentekort’.

In de populaire herinnering is het meest opvallende kenmerk van een zwart gat de extreem krachtige zwaartekracht. Zodra materie de waarnemingshorizon passeert, kan zelfs licht niet meer ontsnappen. Maar buiten de waarnemingshorizon bevindt zich rond het zwarte gat vaak een dichte accretieschijf met hoge temperatuur, bestaande uit gas en stof. Materie blijft naar binnen spiraalsgewijs in de schijf draaien, en de enorme energie die wordt gegenereerd door de omzetting van wrijving en potentiële zwaartekrachtenergie zal de elektronen in de atomen wegstrippen, waardoor een extreem hete plasmaomgeving ontstaat, en onder invloed van sterke magnetische velden en dynamiek zal de materie met hoge snelheid naar buiten worden geworpen in de wind. Als deze winden sterk genoeg zijn, kunnen ze grote hoeveelheden interstellair gas wegduwen van de schijf van het sterrenstelsel, waardoor het vermogen van het sterrenstelsel om sterren te blijven vormen fundamenteel wordt verzwakt.

XRISM is een ruimtewetenschappelijke missie onder leiding van de Japan Aerospace Exploration Agency en uitgevoerd in samenwerking met NASA en de European Space Agency. Het zal in 2023 worden gelanceerd en zal officieel wetenschappelijke waarnemingen lanceren in het najaar van 2024. Vergeleken met röntgenobservatieapparatuur van de vorige generatie verbetert XRISM de resolutie van de röntgenenergie met ongeveer tien keer, waardoor astronomen de gedetailleerde structuur en dynamische processen van hoogenergetische hemelomgevingen met hogere precisie kunnen analyseren. Xiang Xinyi (Engelse naam: Cindy Xiang), een doctoraalstudent in de astronomie aan de Universiteit van Michigan, gebruikte XRISM-gegevens om voor het eerst een "sectie" met hoge resolutie te verkrijgen van de uitstroomwindstructuur van de accretieschijf van een zwart gat. Dit levert sterk observationeel bewijs voor de theorie dat superzware zwarte gaten de evolutie van sterrenstelsels reguleren.

In specifiek onderzoek selecteerden Xiang Xinyi en haar team NGC 4151, een helder sterrenstelsel op iets meer dan 50 miljoen lichtjaar afstand van de aarde, als laboratoriumobject. Er bevindt zich een actieve galactische kern in het centrum van de melkweg, en het superzware zwarte gat bevindt zich in het stadium waarin hij omringende materie met geweld verslindt. De resulterende heldere accretieschijf is zeer geschikt voor het bestuderen van de vorming en evolutie van snelle uitstroomwinden. Dankzij de hoge spectrale resolutie van XRISM konden onderzoekers bij deze heldere bron de rijkste informatie over de windstructuur tot nu toe verkrijgen en deze nauwkeurig correleren met de geometrie en fysieke omstandigheden van de accretieschijf.

Eerder heeft Xiang Xinyi, in samenwerking met Jon Miller, hoogleraar astronomie aan de Universiteit van Michigan, aangetoond dat de wind die wordt gegenereerd door de accretieschijf van NGC 4151 snel genoeg is om materiaal rechtstreeks uit het sterrenstelsel te blazen. Verdere analyse wijst op een mechanisme dat "magnetische centrifugale aandrijving" wordt genoemd, dat wil zeggen dat onder de gecombineerde werking van het magnetische veld en de rotatie in de schijf materie langs de magnetische veldlijnen uit het systeem wordt "gegooid". Dit proces heeft fysieke overeenkomsten met enkele mechanismen die worden veroorzaakt door zonnevlammen. De nieuwste XRISM-gegevens bieden meer solide ondersteuning voor dit aandrijfmodel, waardoor wetenschappers een beter inzicht krijgen in hoe zwarte gaten, door hun magnetische velden en rotatie, lokale materie omzetten in ‘winden’ die hele sterrenstelsels veranderen.

Op de 248e jaarlijkse bijeenkomst van de American Astronomical Society in Pasadena, Californië, kondigde Xiang Xinyi een nieuwe analysemethode aan om te bepalen wanneer deze "vormende winden" in NGC 4151 actief begonnen te worden. Als astronomen het tijdvenster nauwkeurig kunnen vastleggen wanneer de wind het sterkst is, kunnen ze hopen gerichte waarnemingen uit te voeren op andere actieve sterrenstelsels, vergelijkbare snelle uitstroomgebeurtenissen met een grotere waarschijnlijkheid te ‘vangen’ en vervolgens geleidelijk het ware tijdschema van de invloed van superzware zwarte gaten in de evolutie van sterrenstelsels te herstellen.

Gezien het feit dat de intensiteit en structuur van de uitstroomwind van de actieve galactische kern in de loop van de tijd aanzienlijk kan veranderen, heeft het team systematisch de meerdaagse observatiegegevens van NGC 4151 uitgezocht die door XRISM zijn verstrekt. Ze zochten eerst naar momenten in lange tijdreeksen waarop de röntgenhelderheid van sterrenstelsels een piek bereikte, ook wel flare-gebeurtenissen genoemd, en bleven de evolutie van het signaal in de loop van de tijd volgen in de uren na deze flares. Naast veranderingen in helderheid concentreerden de onderzoekers zich ook op de ‘hardheid’ van de ontvangen röntgenstralen, een eigenschap die vergelijkbaar is met de ‘kleur’ in zichtbaar licht en die verschillen in de verdeling van stralingsenergie weerspiegelt.

Na het integreren van de informatie over helderheid en hardheid, stelde het team een ​​nieuwe kwantitatieve index voor om de stralingstoestand van de bron op een bepaald moment te karakteriseren, en noemde deze uiteindelijk 'chromaticiteitsintensiteitsindex' (de Engelse afkorting werd door Miller op humoristische wijze aanbevolen als 'cindicity', wat homofoon is met de Engelse naam van Xiang Xinyi). Xiang Xinyi zei dat het beoogde toepassingsscenario is dat een onderzoeker in de toekomst, als hij de huidige cindicitywaarde van een actieve bron informeert, een waarschijnlijkheidsschatting kan geven van de vraag of er een snelle uitstroomwind in de bron is, waardoor complexe multidimensionale observatie-informatie wordt gecondenseerd tot een bruikbare en vergelijkbare parameter.

Via deze methode vond het team een ​​nogal onverwacht resultaat in de gegevens van NGC 4151: de sterkste en snelste uitstroomwinden treden meestal in fasen op wanneer de röntgenstraling harder is, maar de algehele helderheid niet uitmuntend is. Met andere woorden: de echte hogesnelheidswinden gaan niet direct gepaard met de piek van de uitbarsting, maar bereiken hun piek gewoonlijk ongeveer 10.000 seconden (bijna 3 uur) nadat de uitbarsting is geëindigd. Deze vertraging van ongeveer drie uur legt de eerste directe tijdcorrelatie vast tussen veranderingen in röntgenstraling en de uitstroomwind van het zwarte gat, en levert belangrijke aanwijzingen om te begrijpen hoe energie wordt omgezet van lokale straling in grootschalige materiaalstromen.

Binnen het raamwerk van de evolutie van sterrenstelsels hebben dergelijke temporele correlaties diepgaande implicaties. Het betekent dat de kortetermijnactiviteit van het centrale zwarte gat windgebeurtenissen op uurschaal kan veroorzaken die voldoende zijn om de gasdistributie van het hele sterrenstelsel opnieuw vorm te geven, waardoor de stervormingsgeschiedenis van het sterrenstelsel op een langere tijdschaal verandert. Met de verdere ontwikkeling van XRISM en toekomstige, meer geavanceerde röntgenobservatiemissies wordt van wetenschappers verwacht dat ze vergelijkbare ‘straling-wind’-tijdverbindingen tot stand brengen in actievere sterrenstelsels, waardoor geleidelijk het algemene beeld wordt verbeterd van hoe superzware zwarte gaten de grootschalige structuur van het universum vormgeven door middel van energiefeedback.