Op 11 november, 2014, een wereldwijd netwerk van telescopen nam signalen op van 300 miljoen lichtjaar afstand die werden veroorzaakt door een getijdeverstoring – een explosie van elektromagnetische energie die optreedt wanneer een zwart gat een passerende ster uit elkaar scheurt. Sinds deze ontdekking astronomen hebben andere telescopen op deze zeer zeldzame gebeurtenis getraind om meer te weten te komen over hoe zwarte gaten materie verslinden en de groei van sterrenstelsels reguleren.

Wetenschappers van het MIT en de Johns Hopkins University hebben nu radiosignalen van de gebeurtenis gedetecteerd die zeer nauw overeenkomen met de röntgenstraling die 13 dagen eerder door dezelfde fakkel werd geproduceerd. Ze geloven dat deze radio "echo's, " die voor meer dan 90 procent vergelijkbaar zijn met de röntgenstraling van het evenement, zijn meer dan een voorbijgaand toeval. In plaats daarvan, ze lijken het bewijs te zijn van een gigantische straal van zeer energetische deeltjes die uit het zwarte gat stromen terwijl stellair materiaal naar binnen valt.

Dheeraj Pasham, een postdoc in het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT, zegt dat de sterk op elkaar lijkende patronen suggereren dat de kracht van de jet die uit het zwarte gat schiet op de een of andere manier wordt bepaald door de snelheid waarmee het zwarte gat zich voedt met de vernietigde ster.

"Dit vertelt ons dat de voedingssnelheid van het zwarte gat de kracht van de jet die het produceert, bepaalt, " zegt Pasham. "Een goed gevoed zwart gat produceert een sterke straal, terwijl een ondervoed zwart gat een zwakke straal of helemaal geen straal produceert. Dit is de eerste keer dat we een jet hebben gezien die wordt bestuurd door een zich voedend superzwaar zwart gat."

Pasham zegt dat wetenschappers hebben vermoed dat zwarte gat-jets worden aangedreven door hun accretiesnelheid, maar ze hebben deze relatie nooit van een enkele gebeurtenis kunnen waarnemen.

"Je kunt dit alleen doen met deze speciale evenementen waarbij het zwarte gat gewoon niets doet, en dan komt er plotseling een ster langs, waardoor het veel brandstof krijgt om zichzelf van stroom te voorzien, " zegt Pasham. "Dat is de perfecte gelegenheid om zulke dingen helemaal opnieuw te bestuderen, eigenlijk."

Pasham en zijn medewerker, Sjoert van Velzen van de Johns Hopkins University, rapporteren hun resultaten in een paper dat deze week is gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift .

Ter discussie

Gebaseerd op theoretische modellen van de evolutie van zwarte gaten, gecombineerd met waarnemingen van verre sterrenstelsels, wetenschappers hebben een algemeen begrip van wat er gebeurt tijdens een getijdeverstoring:als een ster dicht bij een zwart gat passeert, de aantrekkingskracht van het zwarte gat genereert getijdenkrachten op de ster, vergelijkbaar met de manier waarop de maan de getijden op aarde opwekt.

Echter, de zwaartekracht van een zwart gat is zo immens dat ze de ster kunnen verstoren, het uitrekken en platdrukken als een pannenkoek en uiteindelijk de ster aan stukken scheuren. In de nasleep, een regen van stellair puin regent naar beneden en wordt gevangen in een accretieschijf - een werveling van kosmisch materiaal dat uiteindelijk in het zwarte gat terechtkomt en het voedt.

Dit hele proces genereert kolossale uitbarstingen van energie over het elektromagnetische spectrum. Wetenschappers hebben deze uitbarstingen waargenomen in de optische, ultraviolet, en röntgenbanden, en ook af en toe aan de radiozijde van het spectrum. Men denkt dat de bron van de röntgenstraling ultraheet materiaal is in de binnenste gebieden van de accretieschijf, die op het punt staat in het zwarte gat te vallen. Optische en ultraviolette emissies komen waarschijnlijk voort uit materiaal verder weg in de schijf, die uiteindelijk in het zwarte gat zal worden getrokken.

Echter, wat aanleiding geeft tot radio-emissies tijdens een opflakkering van getijdenverstoringen, staat ter discussie.

"We weten dat de radiogolven afkomstig zijn van echt energetische elektronen die in een magnetisch veld bewegen - dat is een goed ingeburgerd proces, " zegt Pasham. "Het debat is geweest, waar komen deze werkelijk energetische elektronen vandaan?"

Sommige wetenschappers stellen voor dat, in de ogenblikken na de stellaire explosie, een schokgolf plant zich naar buiten voort en bekrachtigt de plasmadeeltjes in het omringende medium, in een proces dat op zijn beurt radiogolven uitzendt. In een dergelijk scenario, het patroon van uitgezonden radiogolven zou er radicaal anders uitzien dan het patroon van röntgenstralen geproduceerd door invallend stellair puin.

"Wat we vonden, daagt dit paradigma in wezen uit, ' zegt Pasham.

Een verschuivend patroon

Pasham en van Velzen bekeken de gegevens die zijn vastgelegd van een getijdestoring die in 2014 werd ontdekt door het wereldwijde telescoopnetwerk ASASSN (All-sky Automated Survey for Supernovae). Kort na de eerste ontdekking, meerdere elektromagnetische telescopen gericht op het evenement, die astronomen bedachten ASASSN-14li. Pasham en van Velzen bekeken 180 dagen lang radiogegevens van drie telescopen van het evenement.

De onderzoekers keken door de verzamelde radiogegevens en ontdekten een duidelijke gelijkenis met patronen die ze eerder hadden waargenomen in röntgengegevens van dezelfde gebeurtenis. Als ze de radiogegevens over de röntgengegevens plaatsen, en verplaatste de twee rond om hun overeenkomsten te vergelijken, ze ontdekten dat de datasets het meest op elkaar leken, met een gelijkenis van 90 procent, wanneer verschoven met 13 dagen. Dat is, dezelfde fluctuaties in het röntgenspectrum verschenen 13 dagen later in de radioband.

"The only way that coupling can happen is if there is a physical process that is somehow connecting the X-ray-producing accretion flow with the radio-producing region, " Pasham says.

From this same data, Pasham and van Velzen calculated the size of the X-ray-emitting region to be about 25 times the size of the sun, while the radio-emitting region was about 400, 000 times the solar radius.

"It's not a coincidence that this is happening, " Pasham says. "Clearly there's a causal connection between this small region producing X-rays, and this big region producing radio waves."

The team proposes that the radio waves were produced by a jet of high-energy particles that began to stream out from the black hole shortly after the black hole began absorbing material from the exploded star. Because the region of the jet where these radio waves first formed was incredibly dense (tightly packed with electrons), a majority of the radio waves were immediately absorbed by other electrons.

It was only when electrons traveled downstream of the jet that the radio waves could escape—producing the signal that the researchers eventually detected. Dus, they say, the strength of the jet must be controlled by the accretion rate, or the speed at which the black hole is consuming X-ray-emitting stellar debris.

uiteindelijk, the results may help scientists better characterize the physics of jet behavior—an essential ingredient in modeling the evolution of galaxies. It's thought that galaxies grow by producing new stars, a process that requires very cold temperatures. When a black hole emits a jet of particles, it essentially heats up the surrounding galaxy, putting a temporary stop on stellar production. Pasham says the team's new insights into jet production and black hole accretion may help to simplify models of galaxy evolution.

"If the rate at which the black hole is feeding is proportional to the rate at which it's pumping out energy, and if that really works for every black hole, it's a simple prescription you can use in simulations of galaxy evolution, " Pasham says. "So this is hinting toward some bigger picture."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.