Uit het zwarte gat

Het sterrenstelsel m87 heeft in zijn centrum een superzwaar gat. De daaruit ontspringende plasmabundels zijn vrijwel tot de bron in kaart gebracht.

WAARNEMINGEN op vooral radiogolflengten laten zien dat bij vele sterrenstelsels aan weerszijden van het centrum een dunne bundel materie ontspringt die met bijna de lichtsnelheid langs de rotatie-as ver de ruimte in schiet. Het ontstaan van deze plasmabundels of jets, die soms over afstanden van honderdduizenden lichtjaren nog hun kaarsrechte vorm behouden, hangt waarschijnlijk samen met de aanwezigheid van een superzwaar zwart gat in het centrum van zulke stelsels. Amerikaanse astronomen zijn er nu in geslaagd om bij het sterrenstelsel M87 de plasmabundel tot vrijwel het punt van zijn ontstaan te volgen, zo meldt Nature deze week.

M87 (bij radio-astronomen bekend als Virgo A) is het grootste stelsel van de zogeheten Virgocluster: een groep van duizenden sterrenstelsels op een afstand van ongeveer 50 miljoen lichtjaar in het sterrenbeeld Maagd. Het stelsel is tevens een van de meest nabije met plasmabundels. Die betrekkelijke nabijheid maakt het stelsel zeer aantrekkelijk voor het onderzoek naar de processen die de plasmabundels doen ontstaan. Deze processen in de kern van zogeheten actieve sterrenstelsels (en quasars) resulteren in feite in de meest krachtige deeltjesversnellers in het heelal, maar het is nog niet duidelijk hoe die versnelling in zijn werk gaat.

De afgelopen paar jaar hebben waarnemingen aan het kerngebied van M87, verricht met de Hubble Space Telescope, sterke aanwijzingen opgeleverd dat zich hier een snelroterende schijf van geïoniseerd gas bevindt. Uit de draaisnelheid en diameter kan worden berekend dat zich daarbinnen een massa van ongeveer drie miljard maal die van de zon moet bevinden. Als deze massaconcentratie samenhangt met de aanwezigheid van een zwart gat, zal dit een straal van ongeveer 0,001 lichtjaar hebben, ofwel 60 maal de afstand aarde-zon – tweemaal de straal van ons planetenstelsel. Deze straal, die ook wel de Schwarzschild-straal wordt genoemd, is in feite de minimale afstand waarop men het centrum van dit exotische gebied in de ruimte kan naderen zonder er onontkoombaar door te worden opgeslokt.

William Junor (Universiteit van New Mexico) en zijn collega's hebben M87 waargenomen met een netwerk van radiotelescopen in de Verenigde Staten, Duitsland, Italië, Finland, Spanje en Zweden. De signalen van al deze telescopen werden na afloop van de waarnemingen op een zodanige wijze met elkaar gecorreleerd dat als het ware één radiotelescoop met de diameter van bijna die van de aarde werd gesimuleerd. Hierdoor kon, op een golflengte van 7 millimeter, een tot nu toe ongeëvenaarde detailscherpte van 0,2 milliboogseconde worden bereikt.

Astronomen hadden al vermoed dat de plasmabundels in M87 ontstaan door een proces dat zich vlak bij het zwarte gat afspeelt, maar de radiotelescopen leverden tot nu toe onvoldoende detailscherpte om dicht bij dit punt te kunnen kijken. Hoe dicht men het ook naderde, de kegelvormige plasmabundel bleek zich altijd al in een `volgroeid' stadium te bevinden en een openingshoek van rond de 6° te hebben. De nieuwe waarnemingen laten echter zien dat de openingshoek binnen een afstand van een paar lichtjaar opeens snel toeneemt en op 0,03 lichtjaar van het centrum maar liefst 60° bedraagt. Zo'n grote hoek was nog nooit eerder bij een plasmabundel waargenomen.

UITWAAIEREN

De astronomen merken op dat de straal van het gebied waar de plasmabundel begint niet veel groter kan zijn dan 0,03 lichtjaar: 30 maal de straal van het superzware zwarte gat. De hier beginnende, zeer breed uitwaaierende plasmabundel wordt bij het toenemen van de afstand tot het zwarte gat steeds meer `samengeknepen', om pas op enkele lichtjaren van de kern zijn uiteindelijke, constante openingshoek te krijgen. De oorzaak hiervan moet volgens de astronomen worden gezocht bij de sneldraaiende gasschijf die constant wordt gevoed door materie uit de binnendelen van M87. De magnetohydrodynamische modellen van zulke accretieschijven voorspellen dat hun magnetische velden strak worden opgewonden. Langs deze weg zou zo'n schijf kunnen fungeren als een soort versneller voor elektrisch geladen deeltjes, die dan langs de rotatie-as van de schijf naar buiten worden geschoten. Tijdens dit proces zouden de deeltjes door de magnetische velden steeds sterker in een smalle bundel worden gekanaliseerd.

Volgens Junor en zijn collega's zijn hun waarnemingen nu de eerste die er op wijzen dat de plasmabundels in een actief sterrenstelsel pas op een afstand van vele tientallen Schwarzschild-stralen van de `centrale motor' hun uiteindelijke dunne bundelvorm krijgen en niet al in de directe omgeving van het superzware zwarte gat. Hun waarnemingen lijken met name die MHD-modellen te ondersteunen waarin de bundels ontspringen uit een schijf van heet gas rond zo'n superzwaar zwart gat.