Zwarte gaten zijn de meest intrigerende en ontzagwekkende natuurkrachten. Ze zijn ook een van de meest mysterieuze vanwege de manier waarop de regels van de conventionele fysica in hun aanwezigheid breken. Ondanks tientallen jaren van onderzoek en observaties is er nog steeds veel dat we niet weten. In feite hadden astronomen tot voor kort nog nooit een afbeelding van een zwart gat gezien en waren ze niet in staat hun massa te meten.
Een team van natuurkundigen van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) heeft echter onlangs aangekondigd dat ze een manier hebben bedacht om de massa van een zwart gat indirect te meten en tegelijkertijd het bestaan ervan te bevestigen. In een recente studie lieten ze zien hoe ze deze methode testten op het recentelijk in beeld gebrachte superzware zwarte gat in het centrum van het Messier 87 actieve sterrenstelsel.
De studie verscheen in het augustusnummer van de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society. Naast onderzoekers van het MIPT bestond het team uit leden van het in Nederland gevestigde Joint Institute for VLBI ERIC (JIVE), het Academia Sinica’s Institute of Astronomy & Astrophysics in Taiwan en het NOAJ's Mizusawa VLBI Observatory in Japan.
Al tientallen jaren weten astronomen dat de meeste massieve sterrenstelsels een superzwaar zwart gat (SMBH) in hun midden hebben. De aanwezigheid van deze SMBH leidt tot een aanzienlijke hoeveelheid activiteit in de kern, waar gas en stof in een accretieschijf vallen en versnellen tot snelheden waardoor ze licht uitzenden, evenals radio, magnetron, röntgenstraling en gamma- ray straling.
Voor sommige sterrenstelsels is de hoeveelheid straling die door het kerngebied wordt geproduceerd zo helder dat het het licht dat van alle sterren in zijn schijf samen komt, overweldigt. Deze staan bekend als Active Galactic Nuclei (AGN) -stelsels omdat ze actieve kernen hebben en andere sterrenstelsels relatief "stil" zijn. Een ander veelbetekenend kenmerk dat een sterrenstelsel actief is, zijn de lange stralen van oververhitte materie die zich uitstrekken.
Deze 'relativistische stralen', die zich tot miljoenen lichtjaren naar buiten kunnen uitstrekken, worden zo genoemd omdat het materiaal erin wordt versneld tot een fractie van de lichtsnelheid. Hoewel deze jets nog niet volledig worden begrepen, is de huidige consensus dat ze worden geproduceerd door een bepaald "motorisch effect" veroorzaakt door een snel draaiende SMBH.
Een goed voorbeeld van een actief sterrenstelsel met een relativistische straal is Messier 87 (ook bekend als Virgo A), een superreus sterrenstelsel in de richting van het sterrenbeeld Maagd. Dit sterrenstelsel is het dichtstbijzijnde actieve sterrenstelsel op aarde en daarom een van de best bestudeerde. Oorspronkelijk ontdekt in 1781 door Charles Messier (die het voor een nevel hield), wordt het sindsdien regelmatig bestudeerd. In 1918 werd de optische straal de eerste in zijn soort die werd waargenomen.
Dankzij de nabijheid hebben astronomen de straal van Messier 87 nauwkeurig kunnen bestuderen - door de structuur en plasmasnelheden in kaart te brengen en door temperaturen en deeltjesdichtheden in de buurt van de straalstroom te meten. De grenzen van de jet zijn tot in detail bestudeerd, onderzoekers ontdekten dat hij homogeen was over de lengte en van vorm veranderde naarmate hij verder reikte (van parabolisch naar conisch).
Al deze waarnemingen hebben astronomen in staat gesteld hypothesen te testen over de structuur van actieve sterrenstelsels en de relatie tussen veranderingen in de vorm van de straal en de invloed van het zwarte gat in de galactische kern. In dit geval profiteerde het internationale onderzoeksteam van deze relatie en om de massa van de M87s SMBH te bepalen.
Het team vertrouwde ook op theoretische modellen die de breuk van een jet voorspellen, waardoor ze een model konden maken waarbij de massa van een SMBH de waargenomen vorm van de M87-jet nauwkeurig zou reproduceren. Door de breedte van de jet en de afstand tussen de kern en de vormbreuk te meten, ontdekten ze ook dat de jetgrens van de M87 bestaat uit twee segmenten met twee kenmerkende curven.
Uiteindelijk stelde de combinatie van theoretische modellen, waarnemingen en computerberekeningen het team in staat om een indirecte meting van de massa en de spinsnelheid van het zwarte gat te verkrijgen. Deze studie biedt niet alleen een nieuw model voor het schatten van zwarte gaten en een nieuw meetmiddel voor jets, maar bevestigt ook de hypothesen die ten grondslag liggen aan de structuur van jets
In wezen beschrijven de resultaten van het team de straal als een stroom gemagnetiseerde vloeistof, waarbij de vorm wordt bepaald door het elektromagnetische veld erin. Dit is op zijn beurt afhankelijke zaken zoals de snelheid en lading van de jetdeeltjes, de elektrische stroom binnen de jet en de snelheid waarmee de SMBH materie oproept van zijn omringende schijf.
Het samenspel tussen al deze factoren is wat aanleiding geeft tot de waargenomen breuk in de vorm van een jet, die vervolgens kan worden gebruikt om de SMBH-massa te extrapoleren en hoe snel deze ronddraait. Elena Nokhrina, het plaatsvervangend hoofd van het MIPT-laboratorium dat bij het onderzoek betrokken was en de hoofdauteur op het papier van het team, beschrijft de methode die ze op de volgende manier hebben ontwikkeld:
“De nieuwe onafhankelijke methode voor het schatten van massa en spin van zwarte gaten is het belangrijkste resultaat van ons werk. Hoewel de nauwkeurigheid vergelijkbaar is met die van de bestaande methoden, heeft het een voordeel dat het ons dichter bij het einddoel brengt. Namelijk het verfijnen van de parameters van de kern ‘motor’ om de aard ervan dieper te begrijpen. "
Dankzij de beschikbaarheid van geavanceerde instrumenten voor het bestuderen van SMBH's (zoals de Event Horizon Telescope) en ruimtetelescopen van de volgende generatie die binnenkort operationeel zullen zijn, duurt het niet lang voordat dit nieuwe model grondig wordt getest. Een goede kandidaat is Boogschutter A *, de SMBH in het centrum van ons sterrenstelsel, die naar schatting tussen 3,5 miljoen en 4,7 miljoen zonsmassa's ligt.
Naast het stellen van nauwkeurigere beperkingen aan deze massa, zouden toekomstige waarnemingen ook kunnen bepalen hoe actief (of inactief) de kern van ons sterrenstelsel is. Deze en andere mysteries van het zwarte gat wachten op je!
