Zwarte gaten, die verleidelijke singulariteiten die op de afgrond van het bekende en het onbekende zitten, blijven ons verrassen met hun gedrag. Zoals organisaties zoals de Event Horizon Telescope duidelijk hebben gemaakt, is er veel dat we niet weten over de gaten, en erger nog, we weten niet eens hoeveel we niet weten.
Nu hebben wetenschappers een nieuw fenomeen waargenomen dat bijdraagt aan de mystiek van het zwarte gat: een snel draaiend zwart gat dat enorme klodders plasma uitstoot.
Het zwarte gat in kwestie maakt deel uit van een binair paar genaamd V404 Cygni. Het zwarte gat eet zijn begeleidende ster op, zuigt zijn massa in zijn aanwasschijf en werpt vervolgens materiaal uit via twee stralen. Dit is niet ongebruikelijk voor een zwart gat, hoewel ze niet allemaal stralen hebben. Maar wat ongebruikelijk is, is de timing van het materiaal dat door de jets wordt uitgeworpen. In plaats van een gestage stroom, komt het materiaal in klodders naar buiten.
V404 Cygni is ongeveer 8000 lichtjaar verwijderd van de aarde. Het werd voor het eerst opgemerkt in 1989 toen het een enorme uitbarsting van hoogenergetisch materiaal en straling veroorzaakte. Daarna viel het 26 jaar lang inactief.
Toen, in 2015, laaide het weer op en de satelliet van de European Space Agency (ESA) INTEGRAL (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory) kon het bestuderen in hoogenergetische gammastraling. Het werd het helderste object aan de hemel in gammastraling. INTEGRAL Project Scientist Erik Kuulkers zei destijds: “Het gedrag van deze bron is op dit moment buitengewoon, met herhaalde felle lichtflitsen op tijdschalen korter dan een uur, iets wat zelden wordt gezien in andere black hole-systemen.”
Wat was er aan de hand?
Het is handig om te kijken hoe zwarte gaten zoals deze meestal werken. De enorme zwaartekracht van het zwarte gat trekt materiaal weg van zijn begeleidende ster naar zijn aanwasschijf. De accretieschijf draait, verhit het materiaal en zorgt ervoor dat het "glanst". Een deel van het materiaal bereikt het zwarte gat nooit en wordt uitgestraald via stralen.
Snel vooruit naar nu, en een nieuwe studie gebaseerd op gegevens verzameld tijdens de uitbarsting van 2015 door meerdere observatoria geeft een verklaring.
“Tijdens de uitbarsting hebben we details waargenomen van de straalemissies wanneer materiaal met een zeer hoge snelheid wordt uitgeworpen uit de buurt van het zwarte gat", Zegt Simone Migliari, een astrofysicus bij ESA, die co-auteur is van het papier. 'We kunnen de jets zien schieten in verschillende richtingen op een tijdschaal van minder dan een uur, wat betekent dat de binnenste delen van het systeem vrij snel draaien.”
Ja, het zwarte gat eet zijn begeleidende ster op en zuigt het materiaal in zijn aanwasschijf. En ja, een deel van het materiaal op de schijf wordt in jets uitgestoten. Maar volgens de studie gebeurt dit alleen in bursts omdat het zwarte gat om de een of andere reden niet goed is uitgelijnd met zijn eigen accretieschijf.
"Wat anders is in V404 Cygni is dat we denken dat de schijf van materiaal en het zwarte gat niet goed zijn uitgelijnd", Zegt universitair hoofddocent James Miller-Jones van het International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR) van de Curtin University, Australië, die de hoofdauteur is van de nieuwe paper.
“Dit lijkt ervoor te zorgen dat het binnenste deel van de schijf gaat wiebelen als een tol die langzamer gaat draaien en dat het vuur in verschillende richtingen schiet als het van richting verandert.”
Het wiebelen betekent dat materiaal niet gelijkmatig in het zwarte gat valt. Wanneer er een uitbarsting is, betekent dit dat er in korte tijd een grote hoeveelheid materiaal in het gat is gevallen. Dat verhoogt de hoeveelheid materiaal in de accretieschijf en veroorzaakt een uitbarsting van energie.
INTEGRAL was een integraal onderdeel van dit onderzoek omdat het gedurende vier weken naar V404 Cygni heeft gekeken. Andere observatoria konden maar een paar uur kijken. INTEGRAL's waarnemingen stelden wetenschappers in staat om de mechanica van het zwarte gat, de geometrie en het energieniveau ervan te achterhalen en de link te leggen tussen instromend en uitstromend materiaal.
“Met INTEGRAL konden we vier weken onafgebroken naar de V404 Cygni kijken, terwijl andere hoogenergetische satellieten alleen kortere snapshots konden maken”, Zegt Erik Kuulkers, INTEGRAL Project Scientist bij ESA.
“De röntgengegevens steun een model waar het binnenste gedeelte van de accretieschijf is gekanteld ten opzichte van de rest van het systeem, hoogstwaarschijnlijk doordat de draaiing van het zwarte gat helt ten opzichte van de baan van de begeleidende ster', Legt Simone uit.
De vraag blijft, waarom is het niet goed uitgelijnd?
Er zijn slechts enkele voorlopige inschattingen over de oorzaak van de verkeerde uitlijning. Het kan een supernova zijn geweest.
Omdat het zwarte gat zelf is gemaakt door een supernova, heeft die eerste schop er mogelijk toe geleid dat het gat en het binnenste segment van de aanwasschijf niet goed zijn uitgelijnd. Dat laten simulaties zien.
“De resultaten passen in een scenario dat ook is bestudeerd in recente computersimulaties, waarbij de aanwasstroom in de buurt van het zwarte gat en de jets samen kunnen draaien', Zegt Kuulkers.
“We zouden een vergelijkbare dynamiek moeten verwachten in elk sterk groeiend zwart gat waarvan de spin niet goed is uitgelijnd met het instromende gas, en we zullen rekening moeten houden met variërende hellingshoeken bij het interpreteren van observaties van zwarte gaten in het heelal.”
Bronnen:
- Onderzoekspaper: Een snel veranderende straaloriëntatie in het stellaire massa zwarte gatensysteem VG404 Cygni
- Persbericht: A Spitting Black Hole
- ESA's INTEGRALE missie
- Persbericht: Monster Black Hole wordt wakker na 26 jaar
