1. BOTSENDEBOTSENDE
MELKWEGSTELSELSMELKWEGSTELSELS
Melkwegstelsels bevatten zwarte gatenMelkwegstelsels bevatten zwarte gaten
Zwarte gaten zijn de kernen van quasarsZwarte gaten zijn de kernen van quasars
Hoe zouden quasars kunnen ontstaan?Hoe zouden quasars kunnen ontstaan?
C. de JagerC. de Jager

2. MelkwegstelselsMelkwegstelsels
Verzamelingen van gas, stof, oude enVerzamelingen van gas, stof, oude en
jonge sterrenjonge sterren
Zwart gat in kern melkwegstelselsZwart gat in kern melkwegstelsels

3. De melkweg gezien van hetDe melkweg gezien van het
zuidelijk halfrondzuidelijk halfrond

4. Een balkspiraal;Een balkspiraal; voorbeeld van ons eigen stelselvoorbeeld van ons eigen stelsel

5. Gedetailleerde Structuur van ons melkwegstelselGedetailleerde Structuur van ons melkwegstelsel
massa: 10massa: 101212
zonsmassa; afmeting 100.000zonsmassa; afmeting 100.000
lichtjaarlichtjaar ((maar tot twee maal verder zien we materiaal dat bij hetmaar tot twee maal verder zien we materiaal dat bij het
melkwegstelsel hoort)melkwegstelsel hoort)

6. Ons stelsel behoort tot een grote groep.Ons stelsel behoort tot een grote groep.
De Virgo cluster is een andere groepDe Virgo cluster is een andere groep

7. Veel groepen in ‘nabij’ deel heelalVeel groepen in ‘nabij’ deel heelal

8. Stelsels aan de grens van hetStelsels aan de grens van het
zichtbare deel van het heelalzichtbare deel van het heelal

9. Hoeveel?Hoeveel?
• Schatting: 100 tot 1000 miljard stelsels in hetSchatting: 100 tot 1000 miljard stelsels in het
zichtbare deel van het heelalzichtbare deel van het heelal
• Maar we kunnen niet verder zien dan 13,7Maar we kunnen niet verder zien dan 13,7
miljard lichtjaren; heelal is 13,7 mjrd jaar oudmiljard lichtjaren; heelal is 13,7 mjrd jaar oud
• Het heelal is in werkelijkheid nog veel groter;Het heelal is in werkelijkheid nog veel groter;
hoeveel maal groter is onbekendhoeveel maal groter is onbekend
• Dus is het totaal aantal stelsels ook veel groterDus is het totaal aantal stelsels ook veel groter
dan 100 tot 1000 miljarddan 100 tot 1000 miljard

10. Melkwegstelsels en zwarteMelkwegstelsels en zwarte
gatengaten
Zwart gat in ons melkwegstelselZwart gat in ons melkwegstelsel
Bevat de kern van elk stelsel eenBevat de kern van elk stelsel een
extreem zwaar zwart gat?extreem zwaar zwart gat?

11. De kern van ons eigen stelselDe kern van ons eigen stelsel

12. Goed onderzocht: de ster S2Goed onderzocht: de ster S2
Grote as van baan ≈ 700 AE; aantrekkende massa ca. 4 miljoen zonGrote as van baan ≈ 700 AE; aantrekkende massa ca. 4 miljoen zon

13. Sombrero stelsel:zwart gat vanSombrero stelsel:zwart gat van
miljard zonsmassa’smiljard zonsmassa’s

14. Zwart gat in elkZwart gat in elk
melkwegstelsel?melkwegstelsel?
• Steeds als een stelsel goed onderzocht is,Steeds als een stelsel goed onderzocht is,
blijkt er een zwaar zwart gat in voor teblijkt er een zwaar zwart gat in voor te
komenkomen
• Dit leidt tot het vermoeden dat in elkDit leidt tot het vermoeden dat in elk
stelsel een zwart gat voorkomtstelsel een zwart gat voorkomt
• Eén zwart gat of misschien meer danEén zwart gat of misschien meer dan
één?één?

15. Actieve stelsels en quasarsActieve stelsels en quasars
Actief stelsel: het kerngedeelte straaltActief stelsel: het kerngedeelte straalt
uitzonderlijk veel licht uit.uitzonderlijk veel licht uit.
Ook sterke radio- en/of röntgenstraling.Ook sterke radio- en/of röntgenstraling.
Dit duidt op extreme temperaturenDit duidt op extreme temperaturen

16. M87: actief stelsel met zwart gat van 2 - 3M87: actief stelsel met zwart gat van 2 - 3
miljard zonsmassa’s. Zendt gasstraal uit.miljard zonsmassa’s. Zendt gasstraal uit.

17. De gasstraal uit M87De gasstraal uit M87
• Lengte: ca. 5000 lichtjarenLengte: ca. 5000 lichtjaren
• Uit radiostraling blijkt: snelle elektronen verlatenUit radiostraling blijkt: snelle elektronen verlaten
zwart gatzwart gat
• Snelheid is slechts iets kleiner dan die van hetSnelheid is slechts iets kleiner dan die van het
licht (300.000 km per seconde)licht (300.000 km per seconde)
• Gas wordt bijeengehouden door magnetischGas wordt bijeengehouden door magnetisch
veldveld
• Hoge temperatuur: zendt röntgenstraling enHoge temperatuur: zendt röntgenstraling en
radiostraling uitradiostraling uit

18. Soortgelijk fenomeen: NGC 4261.Soortgelijk fenomeen: NGC 4261.
Gasstraal is indirect afkomstigGasstraal is indirect afkomstig
vanvan
groei (accretie) schijfgroei (accretie) schijf om zwart gatom zwart gat

19. Groei- of accretieschijfGroei- of accretieschijf
• Om zwart gat circuleert veel gas, zoals planeten om deOm zwart gat circuleert veel gas, zoals planeten om de
zon circulerenzon circuleren
• Door onderlinge botsingen van gasdeeltjes of gaswolkenDoor onderlinge botsingen van gasdeeltjes of gaswolken
verliest het gas rotatiemomentverliest het gas rotatiemoment
• Zo komt het gas steeds dichter bij de schijf; het krijgtZo komt het gas steeds dichter bij de schijf; het krijgt
daar dus grotere snelheid; botsingen van gasdeeltjesdaar dus grotere snelheid; botsingen van gasdeeltjes
leveren bij naderen tot het zwarte gat steeds hogereleveren bij naderen tot het zwarte gat steeds hogere
temperaturentemperaturen
• Gas valt uiteindelijk in het zwarte gatGas valt uiteindelijk in het zwarte gat
• Gas dat niet in het gat kan vallen stroomt polair uit,Gas dat niet in het gat kan vallen stroomt polair uit,
bijeengehouden door magnetisch veldbijeengehouden door magnetisch veld

20. Bundel gas bijeengehouden doorBundel gas bijeengehouden door
magnetisch veldmagnetisch veld

21. Andere weergave van hetzelfde procesAndere weergave van hetzelfde proces

22. Hoe ontstaan deze extremeHoe ontstaan deze extreme
zwarte gaten?zwarte gaten?
Vermoedelijk door opbouw uit minder zwareVermoedelijk door opbouw uit minder zware
zwarte gaten; in het vroege heelal kwamenzwarte gaten; in het vroege heelal kwamen
veel extreem zware sterren voor; leefden vrijveel extreem zware sterren voor; leefden vrij
kort en eindigden als zwart gatkort en eindigden als zwart gat

23. Stelsel 0402+379Stelsel 0402+379
• Twee zwarte gaten in kernTwee zwarte gaten in kern
• Draaien om elkaarDraaien om elkaar
• Verliezen rotatiemoment doorVerliezen rotatiemoment door
wisselwerking in verbindendewisselwerking in verbindende
gassliertengasslierten
• Komen zo dichter bij elkaarKomen zo dichter bij elkaar
• Kunnen zo een enkel zwart gatKunnen zo een enkel zwart gat
wordenworden
• Vermoedelijk zijn de superzwareVermoedelijk zijn de superzware
zwarte gaten ontstaan doorzwarte gaten ontstaan door
herhaalde accumulatieherhaalde accumulatie

24. Essentie van deze theorieEssentie van deze theorie
Een zwart gat ontstaat in een eerder gevormdEen zwart gat ontstaat in een eerder gevormd
melkwegstelsel door accumulatie van zwartemelkwegstelsel door accumulatie van zwarte
gaten,die op hun beurt zijn ontstaan uitgaten,die op hun beurt zijn ontstaan uit
stervende zeer zware sterrenstervende zeer zware sterren

25. Alternatieve theorieAlternatieve theorie
• In een recente alternatieve theorie zouden eerstIn een recente alternatieve theorie zouden eerst
de extreme zwarte gaten zijn ontstaan – in dede extreme zwarte gaten zijn ontstaan – in de
beginfase van het heelal, pas daarna het stelselbeginfase van het heelal, pas daarna het stelsel
• Deze zwarte gaten zouden kunnen fungeren alsDeze zwarte gaten zouden kunnen fungeren als
kernen voor nog te vormen melkwegstelselskernen voor nog te vormen melkwegstelsels
• Het bewijs van deze stellinmg: er komenHet bewijs van deze stellinmg: er komen
namelijk ook enige ‘naakte’ zware zwarte gatennamelijk ook enige ‘naakte’ zware zwarte gaten
voor – voorbeeld HE0450-2958voor – voorbeeld HE0450-2958

26. HE0450-2958 –’naakt’ zwart gatHE0450-2958 –’naakt’ zwart gat
links: naakt zwart gat nabij melkwegstelsel; rechts normaallinks: naakt zwart gat nabij melkwegstelsel; rechts normaal
maar zeer actief zwart gatmaar zeer actief zwart gat

27. Samenhang zwart gat - stelselSamenhang zwart gat - stelsel
• De theorie onderstelt dat een stelsel zichDe theorie onderstelt dat een stelsel zich
naderhand om een zwart gat kan vormennaderhand om een zwart gat kan vormen
• Het zwarte gat zou dan gas uit de omgevingHet zwarte gat zou dan gas uit de omgeving
aantrekkenaantrekken
• Maar in het voorbeeld van HE0450-2958 staatMaar in het voorbeeld van HE0450-2958 staat
het zwarte gat wel verdacht dicht bij eenhet zwarte gat wel verdacht dicht bij een
melkwegstelselmelkwegstelsel
• Deze recente hypothese wordt ondergravenDeze recente hypothese wordt ondergraven
door een nog recenter ontdekkingdoor een nog recenter ontdekking

28. Zwart gat uitgestoten uit melkwegstelselZwart gat uitgestoten uit melkwegstelsel
DitDit wordtwordt dus een ‘naakt’ zwart gatdus een ‘naakt’ zwart gat

29. Hoe weten we dat?Hoe weten we dat?
• Uit de uitgezonden Röntgenstraling blijktUit de uitgezonden Röntgenstraling blijkt
dat we hier te doen hebben met gas datdat we hier te doen hebben met gas dat
met bijna-lichtsnelheid om een bronmet bijna-lichtsnelheid om een bron
circuleertcirculeert
• De temperatuur en helderheid wijst opDe temperatuur en helderheid wijst op
zwart gatzwart gat
• Het object verwijdert zich van het stelselHet object verwijdert zich van het stelsel
CXO J122518+144545 (M. Heida,CXO J122518+144545 (M. Heida,
Utrecht)Utrecht)

30. Hoe kan een zwart gat uit eenHoe kan een zwart gat uit een
stelsel gestoten worden?stelsel gestoten worden?
• Bij ontmoeting met een ander zwart gat in eenBij ontmoeting met een ander zwart gat in een
melkwegstelsel kunnen grote snelhedenmelkwegstelsel kunnen grote snelheden
ontstaanontstaan
• Soms zo groot dat een van die zwarte gaten uitSoms zo groot dat een van die zwarte gaten uit
het stelsel vliegthet stelsel vliegt
• Maar daar zijn wel speciale condities voor nodig;Maar daar zijn wel speciale condities voor nodig;
met name ander lichaam dat rotatiemomentmet name ander lichaam dat rotatiemoment
opneemt of levertopneemt of levert
• Uit een groep vanUit een groep van driedrie zwarte gaten zou het alzwarte gaten zou het al
veel makkelijker zijn (uitwisseling vanveel makkelijker zijn (uitwisseling van
rotatiemoment)rotatiemoment)

31. QuasarsQuasars
De meest lichtsterke objecten inDe meest lichtsterke objecten in
ons heelalons heelal

32. Quasar: quasi stellar radio sourceQuasar: quasi stellar radio source
• Eind jaren ’50 werden ster-achtigeEind jaren ’50 werden ster-achtige
objecten ontdekt, die radiostralingobjecten ontdekt, die radiostraling
uitzonden – sterren?uitzonden – sterren?
• Dat werd in die tijd voor onmogelijkDat werd in die tijd voor onmogelijk
gehoudengehouden
• Het bleken geen sterren te zijn maar felHet bleken geen sterren te zijn maar fel
stralende kernen van ver liggende stelselsstralende kernen van ver liggende stelsels
(Maarten Schmidt)(Maarten Schmidt)

33. De helderste quasar: 3C273De helderste quasar: 3C273
Afstand: 2,4 miljard lichtjaar; massa: 900 miljoen zonnemassa’sAfstand: 2,4 miljard lichtjaar; massa: 900 miljoen zonnemassa’s

34. Het mechanisme: zeer actief zwartHet mechanisme: zeer actief zwart
gat in de kern van een quasargat in de kern van een quasar
• Om het zwarte gas eenOm het zwarte gas een
groeischijfgroeischijf
• Daaromheen eenDaaromheen een
absorberende torusabsorberende torus
• Twee soorten, I en IITwee soorten, I en II
• I: we zien de bron vanI: we zien de bron van
bovenboven
• II: van de zijkant; de bronII: van de zijkant; de bron
zelf is onzichtbaarzelf is onzichtbaar

35. Opengesneden schets van een type II quasarOpengesneden schets van een type II quasar

36. Quasars vooral in het vroege heelalQuasars vooral in het vroege heelal

37. InterpretatieInterpretatie
• Roodverschuivingparameter z = v/c, met v =Roodverschuivingparameter z = v/c, met v =
snelheid van verwijderen en c = lichtsnelheidsnelheid van verwijderen en c = lichtsnelheid
• Het diagram toont z waarden groter dan 1; maarHet diagram toont z waarden groter dan 1; maar
dat kan toch niet?dat kan toch niet?
• Toch wel: voor grote z (>~ 0,5) isToch wel: voor grote z (>~ 0,5) is
z = (1+v/c).z = (1+v/c).γγ – 1– 1
• Hier isHier is γγ de Lorentz factor; waarde hangt af vande Lorentz factor; waarde hangt af van
het heelalmodel en van vhet heelalmodel en van v
• Zo blijft ook voor grote z waarden deZo blijft ook voor grote z waarden de
verwijderingsnelheid steeds kleiner dan cverwijderingsnelheid steeds kleiner dan c

38. Gevolgen van het diagramGevolgen van het diagram
• Voor z ≈ 1 is de verwijderingsnelheid al dicht bijVoor z ≈ 1 is de verwijderingsnelheid al dicht bij
c en zien we objecten aan de rand van hetc en zien we objecten aan de rand van het
zichtbare heelalzichtbare heelal
• Blijkbaar waren er toen ca. tien maal meerBlijkbaar waren er toen ca. tien maal meer
quasars dan in onze omgevingquasars dan in onze omgeving, waar we, waar we
objecten zien uit een meer recente fase van hetobjecten zien uit een meer recente fase van het
leven van het heelalleven van het heelal
• De vraag: heeft dat te maken met het ontstaanDe vraag: heeft dat te maken met het ontstaan
van quasars? Meer botsingen in vroeg heelal?van quasars? Meer botsingen in vroeg heelal?

39. Meer botsingen in het vroegeMeer botsingen in het vroege
heelal?heelal?
Alles zat dichter bij elkaarAlles zat dichter bij elkaar
Dus de kans op botsing enDus de kans op botsing en
versmelting van melkwegstelselsversmelting van melkwegstelsels
was toen groter dan nuwas toen groter dan nu

40. Een beroemd botsend stelsel: hetEen beroemd botsend stelsel: het
Antenne systeemAntenne systeem

41. De antenne, langer belicht, toontDe antenne, langer belicht, toont
gevolg van getijdenwerkinggevolg van getijdenwerking

42. Een ander botsend stelsel: NGC7252.Een ander botsend stelsel: NGC7252.
ook hier zien we getijdenwerkingook hier zien we getijdenwerking

43. Verbindende gasstrookVerbindende gasstrook

44. Stervorming bij botsingStervorming bij botsing
per knobbel voldoende materiaal voor 100.000 sterrenper knobbel voldoende materiaal voor 100.000 sterren

45. De dans van twee stelselsDe dans van twee stelsels

46. Doordringende botsing ?Doordringende botsing ?

47. Cen A = NGC5128.Cen A = NGC5128.
Sterkste radiobron – botsend stelselSterkste radiobron – botsend stelsel

48. En nog veel meer voorbeeldenEn nog veel meer voorbeelden

49. Recent ontdekt: Stelsel SDSSRecent ontdekt: Stelsel SDSS
J0123+00J0123+00
NB: een quasar aan einde van de straal!NB: een quasar aan einde van de straal!
Let op de schaal: breedte van afbeelding is ca. 900.000 lichtjarenLet op de schaal: breedte van afbeelding is ca. 900.000 lichtjaren

50. InterpretatieInterpretatie
• Het diagram toont twee melkwegstelselsHet diagram toont twee melkwegstelsels
• Ze zijn verbonden door een gasstraal van 180Ze zijn verbonden door een gasstraal van 180
kpc ≈ 600.000 lichtjaarkpc ≈ 600.000 lichtjaar
• Dat is ca. 6 maal de diameter van ons eigenDat is ca. 6 maal de diameter van ons eigen
melkwegstelselmelkwegstelsel
• Het stelsel aan net eind van de gasstraal bevatHet stelsel aan net eind van de gasstraal bevat
een quasareen quasar
• Heeft het ‘naastliggende’ stelsel (het derdeHeeft het ‘naastliggende’ stelsel (het derde
stelsel) hiermee te maken?stelsel) hiermee te maken?

51. Getijdenwerking werpt quasar uitGetijdenwerking werpt quasar uit
• Een quasar aan het uiteinde van de gasstraalEen quasar aan het uiteinde van de gasstraal
• Hypothese: de activiteit van de quasar isHypothese: de activiteit van de quasar is
resultaat van getijdenwerkingresultaat van getijdenwerking
• Deze getijdenwerking is op zijn beurt gevolg vanDeze getijdenwerking is op zijn beurt gevolg van
de ontmoeting van de stelselsde ontmoeting van de stelsels
• Gas dat vrijkomt bij de wisselwerking stort in hetGas dat vrijkomt bij de wisselwerking stort in het
zwarte gas en activeert de quasarzwarte gas en activeert de quasar
• Zo zou ook een ‘naakte quasar’ kunnenZo zou ook een ‘naakte quasar’ kunnen
ontstaanontstaan

52. SamengevatSamengevat
• Wat was er eerder: zwart gat ofWat was er eerder: zwart gat of
melkwegstelsel?melkwegstelsel?
• We weten het niet, maar vermoedelijk tochWe weten het niet, maar vermoedelijk toch
wel het melkwegstelselwel het melkwegstelsel
• De ontmoeting tussen melkwegstelsels isDe ontmoeting tussen melkwegstelsels is
een nieuw terrein van onderzoek dateen nieuw terrein van onderzoek dat
stellig veel verrassingen zal leverenstellig veel verrassingen zal leveren

53. Tot slot: de komende botsing vanTot slot: de komende botsing van
M31 met ons melkwegstelselM31 met ons melkwegstelsel
• Naderen elkaar met ca. 350 km/secondeNaderen elkaar met ca. 350 km/seconde
• Dus botsing over ca.2,5 miljard jaarDus botsing over ca.2,5 miljard jaar
• Een frontale botsing zou 100 miljoen jaar durenEen frontale botsing zou 100 miljoen jaar duren
• Zal sterke stervorming veroorzakenZal sterke stervorming veroorzaken
• Bij frontale botsing wisselwerking tussen deBij frontale botsing wisselwerking tussen de
twee zwarte gaten, maar of de botsing centraaltwee zwarte gaten, maar of de botsing centraal
zal zijn is nu nog een geheel open vraag.zal zijn is nu nog een geheel open vraag.
• En vorming van een quasar (?).En vorming van een quasar (?).

54. De presentatie nader zien ?De presentatie nader zien ?
www.cdejager.com/presentatieswww.cdejager.com/presentaties
ga naar ‘botsende stelsels’ga naar ‘botsende stelsels’
Voor eventuele achtergrondinformatieVoor eventuele achtergrondinformatie
zie ook de presentaties ‘Zwarte gaten’zie ook de presentaties ‘Zwarte gaten’
en ‘Ontstaan van melkwegstelsels’en ‘Ontstaan van melkwegstelsels’