Een jaar geleden, de Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration publiceerde de eerste afbeelding van een zwart gat in het nabije radiostelsel M 87. Nu heeft de samenwerking nieuwe informatie gewonnen uit de EHT-gegevens op de verre quasar 3C 279:ze hebben het fijnste detail waargenomen dat ooit is gezien in een jet geproduceerd door een superzwaar zwart gat. nieuwe analyses, onder leiding van Jae-Young Kim van het Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR) in Bonn, maakte de samenwerking mogelijk om de jet terug te traceren naar zijn startpunt, dicht bij waar heftig variabele straling van over het elektromagnetische spectrum ontstaat.

De resultaten worden gepubliceerd in het komende nummer van Astronomie en astrofysica op 7 april, 2020.

De EHT-samenwerking gaat door met het extraheren van informatie uit de baanbrekende gegevens die zijn verzameld tijdens haar wereldwijde campagne in april 2017. Een doelwit van de waarnemingen was een sterrenstelsel op 5 miljard lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Maagd dat wetenschappers classificeren als een quasar omdat een ultralichtgevende bron van energie in het centrum schijnt en flikkert als gas in een gigantisch zwart gat valt. Het doelwit, 3C 279, bevat een zwart gat dat ongeveer een miljard keer massiever is dan onze zon. Twee brandslangachtige plasmastralen barsten uit het zwarte gat en het schijfsysteem met snelheden die dicht bij de lichtsnelheid liggen:een gevolg van de enorme krachten die vrijkomen wanneer materie afdaalt in de immense zwaartekracht van het zwarte gat.

Om het nieuwe beeld vast te leggen, de EHT gebruikt een techniek die zeer lange basislijninterferometrie (VLBI) wordt genoemd, die radioschotels over de hele wereld synchroniseert en verbindt. Door dit netwerk te combineren tot één enorme virtuele telescoop ter grootte van de aarde, de EHT is in staat om objecten van slechts 20 microboogseconden aan de hemel op te lossen - het equivalent van iemand op aarde die een sinaasappel op de maan identificeert. Gegevens die op alle EHT-locaties over de hele wereld zijn vastgelegd, worden getransporteerd naar speciale supercomputers bij MPIfR en bij MIT's Haystack Observatory, waar ze worden gecombineerd. De gecombineerde dataset wordt vervolgens zorgvuldig gekalibreerd en geanalyseerd door een team van experts, die vervolgens EHT-wetenschappers in staat stelt om beelden met de fijnst mogelijke details vanaf het aardoppervlak te produceren.

Voor 3C 279, de EHT kan kenmerken meten die fijner zijn dan een lichtjaar, waardoor astronomen de jet tot aan de accretieschijf kunnen volgen en de jet en schijf in actie kunnen zien. De nieuw geanalyseerde gegevens laten zien dat de normaal rechte straal een onverwachte gedraaide vorm heeft aan de basis en, onthullende kenmerken loodrecht op de jet die kunnen worden geïnterpreteerd als de polen van de accretieschijf waar de jets worden uitgeworpen. De fijne details in de afbeeldingen veranderen in opeenvolgende dagen, mogelijk door rotatie van de accretieschijf, en versnipperen en invallen van materiaal, fenomenen verwacht van numerieke simulaties, maar nooit eerder waargenomen.

Jae Young Kim, onderzoeker bij MPIfR en hoofdauteur van het artikel, is enthousiast en tegelijkertijd verbaasd:"We wisten dat elke keer dat je een nieuw venster naar het heelal opent, je iets nieuws kunt vinden. Hier, waar we verwachtten de regio te vinden waar de jet zich vormt door naar het scherpst mogelijke beeld te gaan, vinden we een soort loodrechte structuur. Dit is alsof je een heel andere vorm vindt door de kleinste Matroesjka-pop te openen."

Avery Broderick, een astrofysicus werkzaam bij het Perimeter Institute, legt uit:"Voor 3C 279, de combinatie van de transformatieve resolutie van de EHT en nieuwe rekenhulpmiddelen voor het interpreteren van de gegevens is onthullend gebleken. Wat een enkele radio-kern was, is nu opgelost in twee onafhankelijke complexen. En ze bewegen - zelfs op schalen zo klein als lichtmaanden, de jet in 3C 279 komt met meer dan 99,5% van de lichtsnelheid op ons af!"

Door deze snelle beweging de jet in 3C 279 lijkt met ongeveer 20 keer de lichtsnelheid te bewegen. "Deze buitengewone optische illusie ontstaat omdat het materiaal naar ons toe snelt, het licht dat het uitstraalt najagen en het sneller laten lijken dan het is, " verduidelijkt Dom Pesce, een postdoctoraal onderzoeker bij het Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA). De onverwachte geometrie suggereert de aanwezigheid van bewegende schokken of instabiliteiten in een gebogen, roterende straal, wat ook de emissie bij hoge energieën zoals gammastraling zou kunnen verklaren.

Anton Zensus, Directeur bij de MPIfR en voorzitter van de EHT Collaboration Board, benadrukt de prestatie als een wereldwijde inspanning:"Vorig jaar konden we de eerste afbeelding van de schaduw van een zwart gat presenteren. Nu zien we onverwachte veranderingen in de vorm van de jet in 3C 279, en we zijn nog niet klaar. Zoals we vorig jaar al zeiden:dit is nog maar het begin."

"De EHT-array verbetert altijd, " legt Shep Doeleman van het CfA uit, EHT Oprichtend Directeur. "Deze nieuwe quasar-resultaten tonen aan dat de unieke EHT-mogelijkheden een breed scala aan wetenschappelijke vragen kunnen beantwoorden, die alleen maar zal groeien naarmate we nieuwe telescopen aan de array blijven toevoegen. Ons team werkt nu aan een EHT-array van de volgende generatie die de focus op zwarte gaten sterk zal verscherpen en ons in staat zal stellen de eerste zwarte gatenfilms te maken."

Mogelijkheden om EHT-waarnemingscampagnes uit te voeren, vinden eenmaal per jaar plaats in het vroege noordelijke voorjaar, maar de campagne van maart/april 2020 moest worden geannuleerd als reactie op de wereldwijde uitbraak van CoViD-19. Bij het aankondigen van de annulering Michael Hecht, astronoom van het MIT/Haystack Observatory en adjunct-projectdirecteur van EHT, concludeerde dat:"We zullen ons nu volledig concentreren op het voltooien van wetenschappelijke publicaties van de gegevens van 2017 en duiken in de analyse van gegevens die zijn verkregen met de verbeterde EHT-array in 2018. We kijken uit naar waarnemingen met de EHT-array uitgebreid tot elf observatoria in het voorjaar van 2021."