Astronomen die de Event Horizon Telescope (EHT) gebruiken, hebben de meest gedetailleerde waarnemingen tot nu toe gedaan van een binair systeem van superzware zwarte gaten, die zich op 1,6 miljard lichtjaar afstand bevinden in de quasar OJ287. De studie onthult nog nooit eerder gezien gedrag in de jets die door deze kosmische reuzen worden uitgezonden, en biedt een nieuw venster op de complexe fysica die deze extreme omgevingen beheerst.
Twisted Jets en Shockwave Dynamics
De EHT, beroemd vanwege het in beeld brengen van de eerste zwarte gaten (M87 in 2019 en Sagittarius A in 2022), heeft zijn aandacht nu gericht op het begrijpen van jets van zwarte gaten: krachtige energiestromen en deeltjes die met een snelheid van bijna het licht worden uitgestoten. Waarnemingen van OJ287 onthulden dat twee schokgolven met verschillende snelheden door het vliegtuig raasden. De belangrijkste bevinding: deze schokken interageren met instabiliteiten in de omringende magnetische velden, waardoor een verwrongen, zeer gestructureerde straal ontstaat die anders is dan wat eerder is waargenomen.
Dit is belangrijk omdat jets niet zomaar willekeurige uitbarstingen zijn; hun structuur bevat aanwijzingen voor het gedrag van het zwarte gat en de fysica eromheen. De waargenomen gedraaide vorm, gecombineerd met variaties in polarisatie, bevestigt dat de jet is doordrongen van een spiraalvormig magnetisch veld – een fundamentele eigenschap die wel is getheoretiseerd, maar tot nu toe nooit direct in beeld is gebracht.
Snelle veranderingen en onverwachte bewegingen
Het team maakte in april 2017 momentopnamen van OJ287, slechts vijf dagen na elkaar, en onthulde substantiële veranderingen in de structuur en polarisatie van het vliegtuig. Dit is het kortste tijdsinterval dat dergelijke veranderingen zijn waargenomen, wat een ongekend inzicht biedt in de manier waarop deze systemen evolueren. De waargenomen veranderingen komen niet overeen met bestaande modellen gebaseerd op jet-precessie, wat erop wijst dat schokken en instabiliteiten een crucialere rol spelen dan eerder werd aangenomen.
De gegevens impliceren dat kinetische energie domineert over magnetische energie in de binnengebieden van de jet, waardoor Kelvin-Helmholtz-instabiliteiten ontstaan: wervelingen die de stroming van de jet verdraaien en vervormen. Dit verklaart de waargenomen niet-ballistische beweging van deeltjes in de straal, wat betekent dat ze niet in rechte lijnen bewegen zoals verwacht door eenvoudigere modellen. In plaats daarvan volgen ze een chaotisch, maar voorspelbaar pad dat wordt gevormd door magnetische velden en schokken.
Een uniek laboratorium voor de natuurkunde van zwarte gaten
OJ287 is een ideaal systeem voor deze waarnemingen, omdat de superzware zwarte gaten periodiek in gewelddadige uitbarstingen uitbarsten. Dit maakt het een natuurlijk laboratorium voor het bestuderen van de dynamiek van zwarte gaten. De bevindingen van de EHT bevestigen dat schokken een wisselwerking hebben met instabiliteiten, waardoor de spiraalvormige structuur van het magnetische veld wordt verlicht en de waargenomen polarisatie-oscillaties worden gegenereerd.
“Deze rotaties in tegengestelde richtingen zijn het rokende wapen”, zegt onderzoeksteamleider José L. Gómez. “Wanneer de schokgolfcomponenten interageren met de Kelvin-Helmholtz-instabiliteit, verlichten ze verschillende fasen van de spiraalvormige structuur van het magnetische veld, waardoor de polarisatie-oscillaties ontstaan die we waarnemen.”
De studie benadrukt het groeiende vermogen van de EHT om verder te gaan dan beeldvorming en naar het rijk van gedetailleerde fysieke analyse. Het bevestigt dat gegevens met hoge resolutie straalinstabiliteiten, schokken en magnetische velden in actie kunnen visualiseren, waardoor ons begrip van deze krachtige verschijnselen wordt versterkt.
Deze nieuwe waarnemingen zullen de theoretische modellen van jets van zwarte gaten verfijnen en inzicht bieden in hoe energie vrijkomt uit deze kosmische motoren en hoe sterrenstelsels evolueren.
