Een team van astronomen die gebruik maken van NASA's Hubble-ruimtetelescoop heeft de eerste films gemaakt waarin de files te zien zijn die flikkerende 'hotspots' veroorzaken in krachtige materiaalstralen die worden uitgestoten door zwarte gaten in de harten van verre sterrenstelsels.

De astronomen ontdekten dat de jets, in plaats van soepel te stromen, gevuld zijn met dichte gaswolken die lijken te botsen en samen te smelten terwijl ze met bijna de snelheid van het licht naar buiten worden geblazen. De botsingen zorgen ervoor dat de hotspots tijdelijk in helderheid opvlammen als schokgolven erdoorheen bewegen, en zich vervolgens terugtrekken als de schokgolven verdwijnen.

"We weten al een tijdje dat de jets niet soepel en uniform zijn, maar deze nieuwe waarnemingen laten ons eindelijk zien wat er feitelijk in deze jets gebeurt", zegt Nathan Smith van de University of California, Berkeley, hoofdauteur van het boek een artikel geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal.

De ontdekking suggereert dat het flikkeren van de hotspots een nieuwe manier kan bieden om deze jets te analyseren, de zogenaamde relativistische jets, die veel voorkomen in het universum en waarvan wordt gedacht dat ze enkele van de meest energetische deeltjes bevatten die we kennen.

Jets zijn een van de krachtigste verschijnselen in het universum. Ze bestaan ​​uit smalle bundels deeltjes, voornamelijk elektronen en protonen, die uit zwarte gaten en neutronensterren worden uitgestoten met snelheden die de snelheid van het licht benaderen. Het is nog steeds onduidelijk hoe jets deeltjes zo efficiënt kunnen versnellen.

De waarnemingen concentreerden zich op het centrale gebied van het radiostelsel M87, op ongeveer 54 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Maagd. In zijn hart bevindt zich een superzwaar zwart gat met een massa die ongeveer 3 miljard keer zo groot is als die van onze zon.

Het team van Smith gebruikte Hubble's Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS)-instrument om gedurende vele maanden lange belichtingsbeelden van de binnenste jet te verkrijgen. Vervolgens maakten ze films door een reeks van 22 opnamen met korte belichtingstijd, gemaakt in een tijdsbestek van 20 minuten, te combineren. Uit de films blijkt dat de helderste emissieknopen voortdurend veranderen, terwijl sommige onveranderd blijven.

"Voor het eerst kunnen we materiaal dat in een straalvliegtuig botst direct waarnemen", zei Smith. "Vroeger konden we het beste de nasleep van deze gebeurtenissen bestuderen. Nu kunnen we de interacties in realtime zien."

Eén mogelijkheid die door de resultaten naar voren wordt gebracht, is dat de knopen in de straal deel kunnen uitmaken van een natuurlijk "focusserend" effect. Terwijl de jets uit het zwarte gat naar buiten stromen, nemen ze omgevingsgas mee uit hun omgeving, waardoor ze langzamer gaan werken. Het langzamere materiaal creëert een soort "focuskraag" rond de straal waardoor deze bekneld raakt, waardoor de knopen met elkaar kunnen botsen en gemakkelijker kunnen samenvloeien.

Uit de waarnemingen blijkt dat de klonten materiaal lijken te ‘surfen’ langs schokgolven die met meer dan 99,5 procent van de lichtsnelheid door de straal bewegen. De astronomen schatten dat de afmetingen van de klonten ongeveer duizend keer zo groot zijn als ons zonnestelsel.

"Deze klonten kunnen analoog zijn aan de files die we op de snelweg tegenkomen, waar auto's langzamer gaan rijden en zich achter een knelpunt verzamelen", zei Smith. "In plaats van auto's worden deze klonten materiaal afgeremd door de botsing met het omgevingsgas."

De wetenschappers ontdekten dat de helderheid van sommige hotspots constant bleef gedurende de duur van de waarnemingen. Ze denken dat deze plekken veroorzaakt kunnen worden door staande schokgolven, vergelijkbaar met de boegschokgolf voor een schip dat door het water beweegt, en niet door de bewegende schokgolven die door de klonten worden gecreëerd.

Uit de films blijkt ook dat de snelheid waarmee de klonten bewegen afneemt naarmate ze door de jet reizen. Dit is de eerste keer dat astronomen deze vertraging rechtstreeks in een straalvliegtuig hebben kunnen waarnemen.

De waarnemingen zullen wetenschappers in staat stellen modellen van de jetfysica te verfijnen en een beter begrip te ontwikkelen van hoe sterrenstelsels de zwaartekrachtsenergie van zwarte gaten kunnen omzetten in de enorme energie die door jets wordt meegevoerd.