Dit is waarom sommige superzware zwarte gaten zo helder gloeien

Voor het eerst hebben astronomen waargenomen hoe bepaalde superzware zwarte gaten stralen van hoogenergetische deeltjes de ruimte in lanceren – en het proces is schokkend.

Schokgolven die zich voortplanten langs de straal van zo’n blazar magnetische velden vervormen die ontsnappende deeltjes versnellen tot bijna de snelheid van het licht, rapporteren astronomen op 23 november Natuur. Het bestuderen van zo’n extreme versnelling kan helpen bij het onderzoeken van fundamentele natuurkundige vragen die op geen enkele andere manier kunnen worden bestudeerd.

Blazars zijn actieve zwarte gaten die stralen van hoogenergetische deeltjes naar de aarde schieten, waardoor ze verschijnen als lichtpuntjes van miljoenen of zelfs miljarden lichtjaren verwijderd (SN: 7/14/15). Astronomen wisten dat de extreme snelheden van de jets en de bundels met strakke kolommen iets te maken hadden met de vorm van magnetische velden rond zwarte gaten, maar de details waren vaag.

Betreed de Imaging X-Ray Polarimetry Explorer, of IXPE, een in een baan om de aarde draaiende telescoop die in december 2021 werd gelanceerd. Zijn missie is het meten van röntgenpolarisatie, of hoe röntgenlicht wordt georiënteerd terwijl het door de ruimte reist. Terwijl eerdere Blazar-waarnemingen van gepolariseerde radiogolven en optisch licht delen van jets dagen tot jaren nadat ze waren versneld, sondeerden, kunnen gepolariseerde röntgenstralen in de actieve kern van een Blazar kijken (SN: 24-03-21).

“Bij röntgenstraling kijk je echt naar het hart van de deeltjesversnelling”, zegt astrofysicus Yannis Liodakis van de Universiteit van Turku in Finland. “Je kijkt echt naar de regio waar alles gebeurt.”

In maart 2022 keek IPXE naar een bijzonder heldere blazar genaamd Markarian 501, op ongeveer 450 miljoen lichtjaar van de aarde.

Liodakis en collega’s hadden twee hoofdideeën over hoe magnetische velden de jet van de Markarian 501 zouden kunnen versnellen. Deeltjes kunnen worden gestimuleerd door magnetische herverbinding, waarbij magnetische veldlijnen breken, hervormen en verbinding maken met andere lijnen in de buurt. Hetzelfde proces versnelt plasma op de zon (SN: 14-11-2019). Als dat de deeltjesversnellingsmotor was, zou de polarisatie van licht langs de straal hetzelfde moeten zijn in alle golflengten, van radiogolven tot röntgenstralen.

Een andere optie is een schokgolf die deeltjes door de jet schiet. Op de plaats van de schok schakelen de magnetische velden plotseling van turbulent naar geordend. Die schakelaar kan deeltjes wegsturen, zoals water door het mondstuk van een slang. Naarmate de deeltjes de schokplaats verlaten, zou de turbulentie het weer moeten overnemen. Als een schok verantwoordelijk was voor de versnelling, zouden röntgenstralen met een korte golflengte meer gepolariseerd moeten zijn dan optisch en radiolicht met een langere golflengte, zoals gemeten door andere telescopen.

Dat is precies wat de onderzoekers zagen, zegt Liodakis. “We hebben een duidelijk resultaat”, zegt hij, dat in het voordeel is van de schokgolfverklaring.

Er is nog werk aan de winkel om de details van hoe de deeltjes stromen uit te zoeken, zegt astrofysicus James Webb van de Florida International University in Miami. Ten eerste is het niet duidelijk wat de schok zou veroorzaken. Maar “dit is een stap in de goede richting”, zegt hij. “Het is alsof je een nieuw raam opent en met een frisse blik naar het object kijkt, en we zien nu dingen die we nog niet eerder hadden gezien. Het is erg spannend.”