De dansende deeltjesfontein van een zwart gat buigt af door een blazende superreus

2 uren geleden 1

Dankzij het samenspel van een zwart gat en reusachtige ster hebben sterrenkundigen de energiehuishouding van zwarte gaten ‘live’ kunnen bestuderen. In Cygnus X-1, een systeem waar ster en zwart gat om elkaar heen draaien, zagen Australische onderzoekers ‘dansende jets’ aan de polen van het zwarte gat: reusachtige fonteinen van deeltjes die onder invloed van de ster heen en weer bewogen. Door die beweging te analyseren wisten de onderzoekers het vermogen van de jets voor het eerst direct te bepalen, zo schrijven ze in Nature Astronomy.

Die zogeheten relativistische jets zijn bepaald geen rustige fonteintjes: met de energieoutput van tienduizend zonnen versnelt het zwarte gat deeltjes tot de helft van de lichtsnelheid (vandaar dat het relativistische jets zijn). Als het zwarte gat van Cygnus X-1 de plaats van de zon in ons zonnestelsel zou innemen, zouden de jets minstens tot aan de planeet Uranus reiken. Zulke deeltjesfonteinen zijn te verwachten bij alle zwarte gaten die actief materie verslinden, maar door een ster afgebogen jets zoals in dit systeem zijn nog nooit eerder waargenomen.

Die afbuiging stelde de sterrenkundigen in staat om het vermogen van de jet direct te meten, wat eerder aan de hand van de omgeving van het zwarte gat werd afgeschat. Hoofdauteur Steve Prabu (Universiteit van Oxford) legt uit via een videoverbinding: „Die blauwe superreus, zo’n veertig keer zo zwaar als de zon, blaast enorme hoeveelheden materie weg via zijn sterrenwind. We zien nu dat dat een bepaalde jetafbuiging teweegbrengt. Op basis van die afbuiging en de kracht van de sterrenwind kunnen we beredeneren hoe sterk de straal van de jet moet zijn om precies zó te dansen.”

Aardig sterk dus, toonden de onderzoekers aan. De bron van al dat vermogen zit hem in het rondwervelende materiaal rondom het zwarte gat, dat een zogenoemde accretieschijf vormt. Door de immense zwaartekracht draait de materie in de schijf razendsnel rond, waarbij de wrijvingswarmte het gas tot een heet plasma doet overgaan. Plasma is een uitstekende geleider, waardoor de accretieschijf als kosmische dynamo fungeert. Het eindresultaat is een soort magnetisch kanon parallel aan de draai-as van het zwarte gat, waarmee geladen deeltjes het heelal in worden afgevuurd.

Afname van sterrengeboortes

Zulke kanonnen beïnvloeden de levensloop van sterrenstelsels – zeker in het geval van superzware zwarte gaten als Sagittarius A*, die in het centrum van de Melkweg staat. Het materiaal dat ze wegblazen verwarmt interstellair en intergalactisch gas, wat een afname in sterrengeboortes tot gevolg heeft. Dat maakt de jet efficiency, het deel van het energiebudget dat via jets wordt weggeblazen, een belangrijke factor in grootschalige simulaties van het heelal.

De dansende jets van Cygnus X-1 blijken zo’n 10 procent van het totale energiebudget te verbruiken, wat overeenkomt met de schattingen die nu in simulaties gebruikt worden. „Ons resultaat bevestigt dat de schattingen kloppen”, zegt Prabu. „Hoewel dit zwarte gat redelijk klein is, kunnen we redelijk goed extrapoleren naar superzware exemplaren.”

„Heel knap en heel spannend onderzoek”, zegt Martijn Oei, sterrenkundige en jetspecialist verbonden aan het California Institute of Technology (Caltech). „Dit is de eerste keer dat het jetvermogen echt ‘live’ is gemeten. Meestal bepalen we een gemiddeld vermogen door het interstellair gas rondom de zwarte gaten te bestuderen. Die jets verdrukken dat gas, en aan de grootte van de ontstane holtes kun je afleiden hoeveel energie daarvoor nodig is geweest. Deze nieuwe momentopname komt goed overeen met de tijdsgemiddeldes: een mooi resultaat.”

Oei nuanceert de bewering dat de efficiëntie van Cygnus X-1, zo’n 21 zonsmassa’s zwaar, direct op te schalen is naar zwarte gaten in de kernen van sterrenstelsels. „Het gas waar kleine zwarte gaten aan vreten, in dit geval hete sterrenwind, is heel anders van aard dan het doorgaans koelere gas dat de allerzwaarsten opslokken. Dat betekent dat de accretieschijf en de omgeving van het zwarte gat er heel anders uit zien. Je moet dus voorzichtig zijn als je wil extrapoleren.”