Nieuwe beelden van de meest fotogenieke put van duisternis in het heelal geven inzicht in het mysterieuze gedrag van een zwart gat.
Voor het eerst observeren we de bron van een kolossale straal plasma die de ruimte in schiet vanaf de rand van het superzware zwarte gat M87*. Het is ook de eerste keer dat we de schaduw van een zwart gat en zijn straal samen in dezelfde afbeelding hebben gezien, een aanblik die astronomen zou moeten helpen erachter te komen hoe deze gigantische plasmastromen worden gegenereerd.
“We weten dat de jets worden uitgeworpen uit het gebied rond zwarte gaten”, zegt astronoom Ru-Sen Lu van het Shanghai Astronomical Observatory in China, “maar we begrijpen nog steeds niet helemaal hoe dit eigenlijk gebeurt. Om dit rechtstreeks te bestuderen, hebben we moeten de oorsprong van de jet zo dicht mogelijk bij het zwarte gat observeren.”
Zoals we allemaal weten, zijn zwarte gaten berucht omdat ze niets uitzenden dat we kunnen detecteren. Ze zijn zo dicht dat de ruimtetijd kromtrekt tot een gesloten bol om hen heen, zodat geen enkele snelheid in het heelal voldoende is om de ontsnappingssnelheid te bereiken. Maar de ruimte net buiten de grens van die bal, wat we de gebeurtenishorizon noemen, is een andere zaak.
Hier is een gebied van uitersten, waar de zwaartekracht oppermachtig is. Al het materiaal in de buurt raakt verstrikt in zijn val en draait in een schijf van materiaal die in het zwarte gat stroomt als water in een afvoer. Wrijving en zwaartekracht verhitten dit materiaal, waardoor het gloeit; dat is wat we zagen in de inmiddels beroemde afbeelding van M87*, voor het eerst gepubliceerd in 2019, gebaseerd op gegevens die in 2017 zijn verzameld door de Event Horizon Telescope (EHT)-samenwerking.
Maar niet al het materiaal wordt onvermijdelijk buiten de waarnemingshorizon getrokken. Een deel ervan scheert langs de rand voordat het vanuit de poolgebieden van het zwarte gat de ruimte in wordt geschoten, waardoor jets worden gevormd die met een aanzienlijk percentage van de lichtsnelheid kunnen reizen en grote afstanden in de interstellaire ruimte kunnen doorboren.
Astronomen geloven dat dit materiaal wordt afgebogen vanaf de binnenrand van de schijf langs magnetische veldlijnen buiten de waarnemingshorizon. Deze magnetische veldlijnen versnellen de deeltjes zodat ze bij het bereiken van de polen met hoge snelheid de ruimte in worden geslingerd.
Dat is in grote lijnen; de details zijn moeilijker vast te pinnen. We weten dat M87* een jet heeft die 100.000 lichtjaar bereikt op radiogolflengten, ongeveer de diameter van ons eigen sterrenstelsel. Daarom gebruikten astronomen in 2018 krachtige radiotelescopen die aan elkaar waren gekoppeld om de Global mm-VLBI Array (GMVA) te vormen om te zien of ze het gebied van waaruit de jets worden gelanceerd in detail konden vastleggen. Het verzamelde gegevens op een langere golflengte dan de EHT, waardoor andere informatie werd onthuld.
“M87 wordt al tientallen jaren waargenomen en 100 jaar geleden wisten we dat de jet er was, maar we konden het niet in de juiste context plaatsen”, zegt Lu. “Met GMVA, inclusief de belangrijkste instrumenten in de NRAO en GBO, kijken we naar een lagere frequentie, dus we zien meer details, en nu weten we dat er meer details te zien zijn.”
Het sterrenstelsel M87 bevindt zich op een afstand van ongeveer 55 miljoen lichtjaar en herbergt een superzwaar zwart gat van ongeveer 6,5 miljard keer de massa van de zon, dat actief materie ophoopt van een schijf eromheen. Het beeld dat door de EHT werd vastgelegd, toonde voor het eerst de schaduw van dat zwarte gat, een donker gebied in het midden van een ring van helder materiaal, vervormd door de zwaartekrachtkromming van ruimte-tijd.
De nieuwe afbeelding toont een groter ruimtegebied dan de EHT-afbeelding. Het onthult dat de uitgestrektheid van het plasma rond M87* veel groter is dan wat we zien in het EHT-beeld, afgezien van de bron van de jet.
“Het originele EHT-beeld onthulde slechts een deel van de accretieschijf rond het centrum van het zwarte gat. Door de waarnemingsgolflengten te veranderen van 1,3 millimeter naar 3,5 millimeter, kunnen we meer van de accretieschijf zien, en nu de jet, op dezelfde tijd’, zegt astronoom Toney Minter van het National Radio Astronomy Observatory. “Hieruit bleek dat de ring rond het zwarte gat 50 procent groter is dan eerder werd aangenomen.”
De nieuwe afbeelding onthulde ook nieuwe informatie over hoe de jet wordt gelanceerd vanuit het ruimtegebied rond het zwarte gat, wat bevestigt dat magnetische veldlijnen een cruciale rol spelen bij het verwijderen van materiaal dat als jets moet worden gelanceerd.
Maar ze handelen niet alleen. Een krachtige wind komt uit de schijf zelf, aangedreven door stralingsdruk. Deze wind, zo laat de afbeelding zien, draagt bij aan het ontstaan van de M87-jet.
Dit is een vrij belangrijke vooruitgang in de wetenschap van zwarte gaten, maar de onderzoekers zijn nog niet klaar. Er is zoveel meer te zien in het radiospectrum, en de M87* heeft bewezen dat hij dat kan.
“We zijn van plan om het gebied rond het zwarte gat in het centrum van M87 op verschillende radiogolflengten te observeren om de emissie van de jet verder te bestuderen”, zegt astronoom Eduardo Ros van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Duitsland. “De komende jaren zullen opwindend zijn, omdat we meer zullen kunnen leren over wat er gaande is in de buurt van een van de meest mysterieuze regio’s van het heelal.”
Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur.