Eastern Time in april 2019 heeft het samenwerkingsteam van de Event Horizon Telescope (EHT) voor het eerst de eerste afbeelding van een zwart gat in de menselijke geschiedenis vrijgegeven, waarop duidelijk een hemellichaam te zien is dat nog nooit eerder rechtstreeks is waargenomen. Nu heeft een multinationaal team van astronomen met behulp van NASA's Chandra X-ray Observatory "het meest gedetailleerde röntgenbeeld tot nu toe" verkregen van de plasmastraal van hetzelfde superzware zwarte gat M87*.

Volgens het laatste artikel gepubliceerd op het preprint-platform arXiv hebben onderzoekers gedetailleerd beschreven hoe ze langetermijnobservatiegegevens van de Chandra-telescoop hebben gebruikt om de evolutie van dit enorme kosmische straalvliegtuig op een schaal van meer dan tien jaar te volgen, wat het unieke vermogen van het observatorium benadrukt om veranderingen in grote kosmische structuren in de loop van de tijd te bestuderen. M87* bevindt zich in de Virgo-sterrenhoop, op ongeveer 55 miljoen lichtjaar afstand van de aarde. Het omringende materiaal wordt opgevangen door de sterke zwaartekracht van het zwarte gat en vormt een hete accretieschijf. Onder invloed van de rotatie en het magnetische veld van het zwarte gat genereert het hoogenergetische jets die zich over duizenden lichtjaren uitstrekken.

Het standaardmodel van de astronomie stelt dat wanneer een superzwaar zwart gat omringend gas en stof verslindt, de schijf van materiaal een roterende accretieschijf met hoge temperatuur rond het zwarte gat zal vormen. De krachtige zwaartekracht en de snelle rotatie van het zwarte gat vervormen gezamenlijk het omringende magnetische veld, waardoor het in bundels aan de twee polen wordt opgerold. Deze opgerolde magnetische velden lijken ‘deeltjesversnellers’ te worden, die voortdurend hoogenergetische deeltjesstralen uitstoten buiten de Melkweg. Uit NASA-gegevens blijkt dat de straal van M87* meer dan 3000 lichtjaar lang is, met een relativistische snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt de diepten van het heelal in snelt en straling vrijgeeft die een verscheidenheid aan golfbanden bestrijkt, van radio tot röntgenstraling.

Dit onderzoek werd geleid door Camille Poitras, een promovendus aan de School of Science and Engineering van de Université Laval in Canada. Het team gebruikte geavanceerde röntgenbeeldverwerkingstechnologie om meerdere observatiegegevens van de M87*-jets te synthetiseren en te reconstrueren die Chandra tussen 2012 en 2025 had verzameld. Traditioneel werd röntgenbeeldvorming gecombineerd met radio-, optische en infraroodwaarnemingen om de verschillende structuren van jets met zwarte gaten te bestuderen. Radiotelescopen zijn goed in het oplossen van grotere, uitgebreidere structuren in jets, terwijl röntgenstraling gevoeliger is voor de heetste, meest energetische delen van jets. Vanwege resolutiebeperkingen is het echter lange tijd moeilijk geweest om op röntgenfoto's de complexe gedetailleerde structuren in het vliegtuig duidelijk te "splitsen".

In het laatste werk voerde het Chandra-team een ​​zogenaamd 'deconvolutie'-proces uit op de beelden, waardoor de beeldresolutie aanzienlijk werd verbeterd, waardoor de detailnauwkeurigheid die in de röntgenweergave wordt weergegeven, die van beelden van optische en infraroodtelescopen benadert, terwijl de gevoeligheid van röntgenstralen voor hoogenergetische structuren behouden blijft. Dit betekent dat de verwerkte Chandra-beelden rekening kunnen houden met zowel structurele resolutie als hoogenergetische informatie in hetzelfde gezichtsveld, wat een krachtiger hulpmiddel oplevert voor het bestuderen van het deeltjesversnellingsmechanisme in de jet. Door observaties over een periode van meer dan tien jaar over elkaar heen te leggen en te analyseren, kon het onderzoeksteam de evolutie van het M87*-vliegtuig nauwkeurig weergeven op een tijdlijn, waardoor het traject van zijn interne structuur op een schaal van tien jaar werd onthuld.

"We hebben eerder jets zien veranderen, maar nog nooit op dit detailniveau in röntgengolflengten", zei Poitras. Ze wijst erop dat door middel van deconvolutietechnieken structuren die voorheen in röntgenbeelden door elkaar werden gegooid, nu kunnen worden opgelost, waardoor wetenschappers de relatieve beweging en veranderingen van verschillende componenten in het straalvliegtuig gedurende meer dan een decennium duidelijker kunnen volgen. Dergelijke langetermijnwaarnemingen in tijdreeksen op kleine schaal bieden belangrijke aanwijzingen om te begrijpen hoe jets van zwarte gaten energie transporteren van dichtbij de waarnemingshorizon naar de schaal van sterrenstelsels.

M87* werd gekozen als doelwit voor EHT's eerste beeldvorming van zwarte gaten in 2019, deels omdat het een "actief" superzwaar zwart gat is met een heldere accretieschijf en aanzienlijke relativistische jets. Daarentegen is de huidige omgeving van het zwarte gat Sagittarius A* in het centrum van onze Melkweg relatief ‘kaal’ en ontbeert er voldoende gas- en stofmateriaal, waardoor het geheel in een relatief ‘rustige’ toestand verkeert. Het hoge activiteitsniveau van M87* maakt het niet alleen tot een ideaal observatieobject voor de Event Horizon Telescope, maar biedt het Chandra-team ook een uitstekend monster om de dynamische evolutie van het straalvliegtuig te bestuderen.

Analyse toont aan dat de nieuwste röntgenfoto van het straalvliegtuig van M87* ‘dynamischer’ lijkt te zijn dan eerder werd aangenomen. Binnen deze enorme energiestraal lijken sommige structuren vrijwel stationair, terwijl andere het visuele equivalent vertonen van bewegen met vijf keer de snelheid van het licht. De onderzoekers benadrukten dat dit niet betekent dat materie werkelijk de snelheid van het licht overtreft, maar dat dit voortkomt uit een observationeel artefact dat 'superluminale beweging' wordt genoemd. Wanneer het materiaal in de straal met bijna de snelheid van het licht beweegt in een richting bijna in de richting van de aarde, zullen waarnemers zien dat de projectie van de straal op de hemelachtergrond sneller lijkt te bewegen dan de lichtsnelheid als gevolg van lichtpad- en tijdvertragingseffecten.

Dit superluminale visuele effect biedt astronomen een uniek inzicht in de interactie van hoogenergetische deeltjes in jets met magnetische velden op relatief korte tijdschalen. Gerrit Schellenberger, een astrofysicus aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en co-auteur van het artikel, zei dat dit werk Chandra's aanhoudende kracht aantoont in het volgen van extreme kosmische verschijnselen over lange tijdschalen en helpt ons begrip te verdiepen van hoe energie die vrijkomt in de buurt van superzware zwarte gaten wordt getransporteerd langs jets en uiteindelijk wordt afgezet in de omgeving van de melkweg waarin het zich bevindt. Dit soort onderzoek houdt niet alleen verband met het fysieke proces van het zwarte gat zelf, maar is ook nauw verbonden met de vorming en evolutie van sterrenstelsels.

Het onderzoeksteam merkte op dat de opnieuw verwerkte, zeer gedetailleerde beelden van Chandra zullen helpen onderzoeken hoe deeltjes in de jet worden versneld tot extreme energieniveaus. Vanuit bepaalde observatiehoeken lijken deze hoogenergetische deeltjes en hun stralingsprestaties zelfs "de wetten van de natuurkunde uit elkaar te scheuren", waardoor ons bestaande begrip van fysische processen onder extreme omstandigheden voortdurend wordt uitgedaagd. Relevante resultaten zijn publiekelijk vrijgegeven op het arXiv preprint-platform, en het Chandra X-ray Observatory heeft tegelijkertijd ook een medianota uitgebracht voor de wetenschappelijke onderzoeksgemeenschap en het publiek om meer over dit werk te weten te komen.