Radio Monitoring of the Changing-look AGN Mrk 590 I: VLA Observations Reveal A Bow-shock Driven Radio Brightening Event

Actieve galactische kernen zijn de schitterende, energieke harten van verre sterrenstelsels, aangedreven door supermassieve zwarte gaten die omringend gas en stof consumeren. Hoewel deze kosmische motoren meestal stabiel zijn, kan een zeldzame subgroep bekend als "changing-look" actieve galactische kernen dramatische transformaties ondergaan, waarbij ze plotseling vervagen van heldere, actieve staten naar bijna stilte, of weer oplaaien na jaren van rust. Deze verschuivingen zijn goed gedocumenteerd in zichtbaar licht, ultraviolet en röntgenstraling, waarbij astronomen direct kunnen zien hoe de accretieschijf — de kolkende schijf van materiaal die het zwarte gat voedt — van gedrag verandert. De radiogolven die door dezezelfde objecten worden uitgezonden, die vaak krachtige jets van deeltjes traceren die uit het zwarte gat schieten, zijn echter een mysterie gebleven. Wetenschappers vroegen zich lang af of de radiojets synchroon reageren met de voedende schijf, of dat ze volgens hun eigen, aparte schema opereren. Het begrijpen van deze relatie is cruciaal, omdat het onthult hoe energie zich van de directe omgeving van een zwart gat verplaatst naar de uitgestrekte ruimte van het gaststelsel.

In een recente studie richtten onderzoekers hun aandacht op Mrk 590, een "changing-look" actieve galactische kern die er beroemd over deed decennia lang te zijn gedimd voordat deze in 2017 weer begon op te lichten. Om te begrijpen wat er gebeurde met de radio-emissies tijdens deze transitie, gebruikte het team de Karl G. Jansky Very Large Array, een enorme radiotelescoop in New Mexico, om het sterrenstelsel op vier verschillende momenten tussen 2015 en 2017 te observeren. Ze stemden de telescoop af om te luisteren over een breed bereik aan radiofrequenties, van 1 tot 17 gigahertz, waardoor ze een gedetailleerd beeld kregen van de radiobron van het sterrenstelsel. Wat ze vonden, was een compacte, heldere kern die in de loop van de tijd aanzienlijk veranderde. In 2015 had het radiospectrum — de manier waarop de helderheid verandert over verschillende frequenties — een duidelijke bult, wat suggereerde dat de radiogolven door iets in de buurt werden geabsorbeerd. Tegen 2016 en 2017, toen het sterrenstelsel in zichtbaar licht begon te ontwaken, werd de radiobron niet alleen helderder; de vorm veranderde ook en werd een constante, stijgende helling die aangaf dat er een nieuwe, krachtige energiebron aan het ontstaan was.

Om te achterhalen wat deze radio-opheldering aanstuurde, bouwde het team geavanceerde computermodellen om verschillende fysieke verklaringen te testen. Ze overwogen eerst of de veranderingen werden veroorzaakt door het interstellaire medium van ons eigen Melkwegstelsel, dat soms als een lens kan fungeren om verre radiobronnen te vergroten. De timing van de veranderingen was echter veel te traag voor dit effect, dat meestal binnen uren optreedt, niet maanden. Ze testten ook het idee dat een ster door het zwarte gat was verscheurd, een gebeurtenis die bekend staat als een tidal disruption event (getijdenvernietigingsgebeurtenis). Dit werd uitgesloten omdat de radio-opheldering minstens een jaar voordat het zichtbare licht helderder werd, begon; bij bekende tidal disruption events volgt het radiosignaal altijd het licht. De meest waarschijnlijke verklaring, ondersteund door hun statistische analyse, is dat een boegschok (bow shock) de variabiliteit aanstuurt. Terwijl de radiojet van het sterrenstelsel naar buiten duwt, botst deze tegen het dichte gas van het gaststelsel, waardoor een schokfront ontstaat dat vergelijkbaar is met de golf van water voor een snelle boot. Deze botsing comprimeert magnetische velden en versnelt elektronen, wat een verse uitbarsting van radiogolven genereert die de geobserveerde opheldering veroorzaakt.

De onderzoekers onderzochten ook of deze radioactiviteit direct verbonden was met de voedingsvreetbui van het zwarte gat die ervoor zorgde dat het sterrenstelsel in 2017 weer tot leven kwam. Door de grootte van het gebied te berekenen waar de radioveranderingen plaatsvonden, bepaalden zij dat dit gebied zich veel verder van het centrale zwarte gat bevond dan de accretieschijf zelf. Deze ruimtelijke scheiding suggereert dat de radio-opheldering en de optische opheldering niet deel uitmaken van dezelfde onmiddellijke gebeurtenis. Terwijl de voedingsschijf van het sterrenstelsel van staat veranderde en oplichtte in zichtbaar licht, onderging de radiojet een afzonderlijke, onafhankelijke gebeurtenis aangedreven door de interactie met het gas van het omringende sterrenstelsel. Deze bevinding benadrukt de diversiteit van "changing-look" actieve galactische kernen; in tegen tegenstelling tot sommige andere sterrenstelsels waar de radio- en lichtemissies samen stijgen en dalen, laat Mrk 590 zien dat deze verschillende soorten kosmische activiteit door afzonderlijke mechanismen kunnen worden aangedreven. De studie concludeert dat hoewel het zwarte gat inderdaad zijn motor aan het herstarten was, de radiogolven die we zien een ander verhaal vertellen: dat van een jet die zich door het kosmische landschap duwt en zijn eigen schokgolven creëert, onafhankelijk van de directe voedingsgewoonten van het zwarte gat.