Nieuwe waarnemingen van het spectaculaire M87-stelsel laten zien hoe een krachtige straal zich vormt rond een monsterlijk zwart gat dat erin zit.
Een paar jaar geleden veroorzaakte het beeld van een oranje gloeiende donut een sensatie. Voor het eerst hebben onderzoekers een beeld vastgelegd van de directe omgeving van een superzwaar zwart gat in het centrum van de melkweg M87
Dit sterrenstelsel staat bekend om een jet die materie tot ver buiten het sterrenstelsel versnelt, aangedreven door het centrale zwarte gat. Hoe de jet precies in de buurt van het zwarte gat is verankerd en hoe de materie in de jet stroomt, is nog niet helemaal duidelijk.
Astronomen, met medewerking van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie, geven nu nieuwe antwoorden. Met een netwerk van radiotelescopen dat bijna zo groot is als de aarde zelf, gebruiken ze het voorbeeld van M87 om de materiestromen in het uiterste centrum van een sterrenstelsel voor het eerst zichtbaar te maken.
Aangenomen wordt dat de enorme helderheid en activiteit in het centrum van een sterrenstelsel als M87 het gevolg is van materie uit de omgeving die in het zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel valt.
Een deel van de materie wordt echter ook via een jet uit deze regio afgevoerd. In het geval van het sterrenstelsel M87 zijn er al afzonderlijke beelden gemaakt van de binnenste schijf van materie rond het centrale zwarte gat en de jet.
Het was voorheen onduidelijk hoe de jet, die gecollimeerd blijft naar de randen van de melkweg, zich vormt in de buurt van het zwarte gat.
Het nu verkregen beeld brengt voor het eerst de verbinding tot stand. "We zien hoe de jet uit de ring rond het zwarte gat komt en krijgen nieuwe inzichten in de fysische processen die aanleiding geven tot de jet", zegt Thomas Krichbaum van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie.
Een gigantische telescoop doet gedetailleerd werk
Het internationale onderzoeksteam verkreeg het beeld door het radiolicht waar te nemen met een golflengte van 3,5 millimeter. Dit geeft een bijna onbelemmerd zicht op de radioheldere materiestromen die het centrale zwarte gat omringen en die de jet van brandstof voorzien.
Gezien vanaf de aarde lijkt dit binnenste gebied slechts ongeveer zo groot als een concertschijnwerper op de maan, wat overeenkomt met een hoekdiameter van 64 microboogseconden. Op een afstand van de melkweg van ongeveer 55 miljoen lichtjaar komt dit overeen met een paar keer de diameter van ons zonnestelsel.
Om deze structuren, die vanaf de aarde gezien klein zijn, op te lossen, gebruiken de onderzoekers een reeks van vele radiotelescopen. Hoe groter het netwerk en hoe verder de afzonderlijke telescopen uit elkaar staan, hoe kleiner de structuren die in beeld kunnen worden gebracht.
De golflengte waarop de radio-ontvangers zijn afgestemd, bepaalt ook het beeld. Hoe korter de golflengte, hoe fijner de structuren die kunnen worden afgebeeld.
De centrale component van het netwerk is de Global Millimeter VLBI Array (GMVA), die overspant Europa en Noord- en Zuid-Amerika met meer dan een dozijn individuele telescopen. Om de beeldkwaliteit te verbeteren, voegde het team ook de Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (Alma) en de Greenland Telescope toe.
Alleen door de speciale opstelling van de telescopen en de keuze van de golflengte van 3,5 millimeter konden de wetenschappers de centrale motor van de melkweg in beeld brengen en hoe materie in het zwarte gat stroomt en naar buiten wordt versneld in een straal.
Ze observeerden de kern van de melkweg in april 2018 en deden er jaren over om de gegevens te interpreteren en het beeld te reconstrueren.
"Het spectaculaire beeld van de jet en ring in M87 is een belangrijke mijlpaal en bekroont jarenlange samenwerking", zegt Eduardo Ros, een wetenschapper aan het Max Planck Instituut voor Radioastronomie.
Het beeld van de kern van M87, dat astronomen een paar jaar eerder hadden weten te verkrijgen met een andere telescoopconfiguratie, de Event Horizon Telescope op een golflengte van 1,3 millimeter, kenmerkt zich door een nog sterkere zoomfactor. Het toont vooral materie in een relatief smalle ring in de directe omgeving van het zwarte gat. Deze donutachtige afbeelding markeerde voor het eerst het zwarte gat zelf.
De grenzen van de natuurkunde opzoeken
Voor J. Anton Zensus, directeur van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie, tonen deze successen aan dat de jaren van ontwikkeling en voortdurende uitbreiding van de technologie van deze wereldwijde radiotelescoopnetwerken hun vruchten hebben afgeworpen. Maar de grenzen van deze observatietechniek met hoge resolutie zijn nog niet bereikt.
Nieuwe, nog gevoeligere radio-ontvangers van de GMVA-telescoop moeten de astronomen in staat stellen om nog gedetailleerdere metingen te doen. Naast de lichtintensiteit, die hier in beeld is gebracht, kunnen ook andere eigenschappen van het radiolicht worden geëxtraheerd.
De polarisatie bootst bijvoorbeeld de structuur en sterkte na van het onderliggende magnetische veld dat het zwarte gat omringt en de jet vormt. Materie die via zijn radiostraling zichtbaar is in het gepresenteerde beeld, beweegt langs deze onzichtbare magnetische veldlijnen.
Deze en andere meettechnieken maken het mogelijk om de fysische processen te bestuderen in de directe omgeving van een zwart gat, miljard keer zwaarder dan de zon, dat de grenzen van de fysica belichaamt.
M87-melkwegstelsel: belangrijkste feiten
- Het M87-stelsel is ook bekend als Virgo A of Messier 87. Het was het 87e object dat werd gecatalogiseerd door de Franse astronoom Charles Messier.
- Het bevindt zich in het sterrenbeeld Maagd en maakt deel uit van de Virgo Cluster van sterrenstelsels. Het is ongeveer 53.5 miljoen lichtjaar verwijderd van de aarde.
- Het M87-stelsel is een van de grootste sterrenstelsels in het nabije heelal. Het heeft een geschatte diameter van ongeveer 120,000 lichtjaar, wat het aanzienlijk groter maakt dan ons Melkwegstelsel.
- M87 staat bekend om het hosten van een van de meest massieve zwarte gaten die astronomen kennen. Het zwarte gat in het midden heeft een massa van ongeveer 6.5 miljard keer die van onze zon en is omgeven door een roterende schijf van heet gas en plasma.
- Dit sterrenstelsel heeft ook een prominente straal van hoogenergetische deeltjes die uit zijn centrale zwarte gat komen. De straal strekt zich uit over 5,000 lichtjaar en zendt straling uit over verschillende golflengten, waaronder radiogolven, zichtbaar licht en röntgenstralen.
- M87 is geclassificeerd als een elliptisch sterrenstelsel, wat betekent dat het een elliptische of voetbalachtige vorm heeft. Het mist de duidelijke spiraalarmen die te zien zijn in spiraalstelsels zoals de Melkweg.
- Het is een van de helderste sterrenstelsels in de Virgo Cluster. Het heeft een visuele magnitude van ongeveer 9.6, waardoor het onder gunstige omstandigheden zichtbaar is met een verrekijker of kleine telescopen.
- Net als andere sterrenstelsels wordt aangenomen dat M 87 omgeven is door een halo van donkere materie, een mysterieuze substantie die geen licht uitzendt of ermee interageert, maar invloed uitoefent op de zwaartekracht.
- M 87 heeft interactie gehad met andere sterrenstelsels in de Virgo Cluster, wat heeft geleid tot de vorming van getijdenstaarten en vervormingen in de buitenste regionen.
- M87 is uitgebreid bestudeerd door de Hubble-ruimtetelescoop en heeft gedetailleerde beelden en gegevens opgeleverd over de structuur, jet en het zwarte gat.
Bron: MPG
