Relativistische jet: hoe zwarte gaten materie de ruimte in schieten
Een relativistische jet is een dunne, extreem snelle straal van geladen deeltjes die wordt uitgespuwd door een zwart gat, een neutronenster of het overblijfsel van een stervende ster. Het woord "relativistisch" verwijst naar de snelheid: de deeltjes in zo'n straal bewegen met tachtig tot ruim negenennegentig procent van de lichtsnelheid. Vergelijk het met een brandweerslang die water onder extreme druk in een kaarsrechte lijn wegspuit, alleen is de "slang" hier een zwart gat en het "water" een gloeiend hete mix van elektronen en protonen die honderdduizenden lichtjaren ver de ruimte in wordt geschoten.
Deze jets zijn geen exotische bijzaak: ze behoren tot de meest indrukwekkende structuren in het heelal. De jet die uit het reuzenstelsel Messier 87 komt, is al meer dan honderd jaar bekend en steekt als een naald van licht uit de kern van dat sterrenstelsel, terwijl hij wordt aangedreven door een zwart gat met een massa van zes en een half miljard zonnen. Sterrenkundigen bestuderen relativistische jets niet omdat ze iets nieuws willen bouwen, maar omdat de natuur ze al bouwt: het zijn natuurlijke laboratoria voor de meest extreme fysica die er bestaat.
Wat is het precies?
Een relativistische jet ontstaat meestal rond een zwart gat dat actief materie opslokt. Die materie stroomt er niet rechtstreeks in, maar vormt eerst een accretieschijf: een platte, ronddraaiende schijf van gas en stof, vergelijkbaar met water dat rond een gootsteenafvoer draait voordat het naar beneden verdwijnt. In die schijf wordt gas verhit tot miljoenen graden en ontstaan sterke magneetvelden doordat geladen deeltjes ronddraaien.
Een deel van dat gas valt uiteindelijk in het zwarte gat, maar een ander deel wordt juist naar buiten geslingerd, langs de rotatie-as van het systeem, haaks op de accretieschijf. De magneetvelden werken daarbij als een soort geleiderail: ze bundelen ("collimeren") het gas tot een smalle straal in plaats van een brede wolk. Een veelgebruikte verklaring hiervoor is het Blandford-Znajek-mechanisme, genoemd naar de natuurkundigen die in 1977 beschreven hoe de draaiing (spin) van een zwart gat zelf energie kan leveren aan de jet via magneetvelden die door de ruimte rond het zwarte gat lopen, een gebied dat door de zwaartekracht extreem verwrongen is.
In de jet zelf bewegen elektronen met bijna de lichtsnelheid door die magneetvelden. Daarbij zenden ze zogeheten synchrotronstraling uit: licht dat ontstaat wanneer geladen deeltjes langs kromme banen door een magneetveld bewegen. Dat is de reden dat jets vooral goed zichtbaar zijn met radiotelescopen, en soms ook met optische telescopen en röntgentelescopen.
Een merkwaardig verschijnsel dat vaak optreedt, is schijnbare superluminale beweging: onderdelen van een jet lijken sneller dan het licht te bewegen wanneer je de beweging aan de hemel meet. Dat is een gezichtsbedrog. Omdat de jet bijna recht op ons afkomt en bijna even snel is als het licht dat hij uitzendt, lijkt de beweging over de hemel versneld. Niets beweegt in werkelijkheid sneller dan het licht; het is een projectie-effect dat door Albert Einsteins relativiteitstheorie precies wordt voorspeld en verklaard.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoek naar relativistische jets dient meerdere doelen tegelijk. Ten eerste willen sterrenkundigen begrijpen hoe zwarte gaten precies werken: hoe ze materie aantrekken, hoe snel ze draaien en hoe ze energie kunnen uitzenden ondanks dat er, per definitie, niets aan een zwart gat kan ontsnappen zodra het de waarnemingshorizon (de grens waarachter zelfs licht niet meer kan ontkomen) is gepasseerd. Jets ontstaan net buiten die grens en zijn daarmee een venster op de fysica vlak naast een van de meest extreme objecten die de natuurkunde kent.
Ten tweede zijn jets belangrijk voor het begrijpen van hoe sterrenstelsels zich ontwikkelen. De energie die een jet uitstoot, kan gas in en rond een sterrenstelsel opwarmen of wegblazen, waardoor er minder gas overblijft om nieuwe sterren van te vormen. Dit "AGN-feedback" genoemde proces (AGN staat voor active galactic nucleus, actieve galactische kern) wordt gezien als een van de manieren waarop sterrenstelsels een natuurlijke rem krijgen op hun groei.
Ten derde zijn jets een van de weinige plekken in het heelal waar deeltjes worden versneld tot extreem hoge energieën, mogelijk tot de energieniveaus van kosmische straling die we op aarde meten. Het opsporen van de bron van de allerenergetischste kosmische deeltjes is een van de openstaande vragen in de astrofysica, en jets zijn een van de belangrijkste kandidaten.
Tot slot vormen jets een natuurlijke testomgeving voor Einsteins algemene relativiteitstheorie, omdat ze ontstaan in een gebied waar de zwaartekracht zo sterk is dat klassieke natuurkunde volledig tekortschiet.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste relativistische jet is die van het superzware zwarte gat in het sterrenstelsel Messier 87 (kortweg M87*), zeshonderd miljoen lichtjaren van ons vandaan. Deze jet is al sinds 1918 bekend uit optische waarnemingen, lang voordat iemand wist dat er een zwart gat achter zat. In 2019 maakte de Event Horizon Telescope-samenwerking wereldnieuws met de allereerste directe afbeelding van een zwart gat, namelijk dat van M87*, met daarin de basis van deze jet zichtbaar. In 2021 volgde een versie van diezelfde afbeelding die de polarisatie van het licht laat zien, waarmee de structuur van het magneetveld rond het zwarte gat in kaart werd gebracht.
Het zwarte gat in het centrum van onze eigen Melkweg, Sagittarius A*, werd in 2022 door hetzelfde team afgebeeld. Hier is, in tegenstelling tot bij M87*, tot nu toe geen duidelijke jet waargenomen, vermoedelijk omdat dit zwarte gat momenteel weinig materie opslokt.
Een vroeg en beroemd voorbeeld is de quasar 3C 273, in 1963 door de Nederlandse astronoom Maarten Schmidt geïdentificeerd als het eerste bekende object van dit type. De Hubble-ruimtetelescoop heeft de jet van deze quasar in optisch licht scherp in beeld gebracht.
Ook binnen onze eigen Melkweg komen jets voor, zij het op kleinere schaal. Het bekendste voorbeeld is SS 433, een zogeheten microquasar: een compact object (waarschijnlijk een zwart gat) dat materie onttrekt aan een begeleidende ster en sinds de late jaren zeventig bekendstaat om zijn twee tegengesteld gerichte, precederende jets, die als een soort kosmische sproeier ronddraaien.
Een recenter en bijzonder voorbeeld is de neutronensterbotsing GW170817 uit 2017, de eerste keer dat zwaartekrachtgolven van zo'n botsing werden gemeten, samen met een bijbehorende korte gammaflits. Latere radiowaarnemingen met een techniek genaamd VLBI (very long baseline interferometry, waarbij radiotelescopen over de hele wereld worden gecombineerd tot één virtueel instrument) toonden aan dat de botsing een smalle, relativistische jet had voortgebracht die zich losmaakte van de bredere explosiewolk.
Hoe ver is de techniek?
Relativistische jets zijn geen technologie die mensen bouwen, maar een natuurverschijnsel dat we steeds beter leren waarnemen en begrijpen. De vooruitgang zit vooral in de resolutie en gevoeligheid van telescopen. Radiotelescopen die met VLBI worden gekoppeld, kunnen inmiddels details afbeelden op een schaal die overeenkomt met het lezen van een krant in New York vanuit Parijs; dat maakte de eerste zwarte-gat-foto's uit 2019 en 2022 mogelijk.
Toch blijven er grote hindernissen. De gebieden waar jets ontstaan, zijn extreem klein en ver weg, waardoor zelfs de beste telescopen slechts een ruwe blik gunnen op het startpunt van een jet. Computersimulaties die de magnetohydrodynamica beschrijven (de wisselwerking tussen magneetvelden en elektrisch geleidend gas) zijn de afgelopen jaren sterk verbeterd, maar blijven vereenvoudigingen van een uiterst complexe werkelijkheid. Ook is er nog geen sluitend antwoord op vragen als: waarom vormen sommige zwarte gaten wel een krachtige jet en andere niet, en wat bepaalt precies de snelheid en energie van een jet?
De komende jaren worden nieuwe en uitgebreide telescoopnetwerken in gebruik genomen die de gevoeligheid en resolutie verder moeten vergroten, zodat sterrenkundigen niet alleen stilstaande beelden maar ook "films" van jets in wording hopen te kunnen maken.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar relativistische jets is sterk internationaal georganiseerd. De Event Horizon Telescope-samenwerking bundelt radiotelescopen over de hele wereld, van Hawaï en Chili tot Spanje en de Zuidpool, en telt honderden wetenschappers uit tientallen landen. De Nederlandse astronoom Heino Falcke, verbonden aan de Radboud Universiteit Nijmegen, heeft in deze samenwerking een leidende rol gespeeld bij het idee en de uitvoering om een zwart gat daadwerkelijk af te beelden.
Belangrijke instituten zijn onder meer het Max Planck Institute for Radio Astronomy in Duitsland, het National Radio Astronomy Observatory (NRAO) in de Verenigde Staten, en de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), die verschillende telescopen in Chili beheert die bij dit soort waarnemingen worden ingezet. Ook ruimtetelescopen van NASA, zoals Chandra (röntgenstraling) en Fermi (gammastraling), en van ESA leveren gegevens die nodig zijn om jets over het hele elektromagnetische spectrum te volgen.
Voor de toekomst investeren onder meer de Verenigde Staten (met de geplande next generation Very Large Array, ngVLA) en een internationaal consortium van landen, waaronder Nederland, Duitsland, Australië en Zuid-Afrika (met de Square Kilometre Array, SKA), in nieuwe radiotelescoopnetwerken die relativistische jets met nog meer detail moeten kunnen waarnemen.