Paradoxaal genoeg spuwen zwarte gaten, die beruchte slikkers van licht en materie, ook licht en materie naar buiten met een ongeëvenaarde kracht en efficiëntie. Ze drijven dunne plasmastralen aan, jets genaamd, die duizenden lichtjaren de ruimte in reiken en gloeiende lijnsegmenten vormen die overal in de kosmos te zien zijn.

Natuurkundigen weten waarom dingen erin gaan: zwarte gaten hebben zoveel zwaartekracht dat ze zelfs licht vangen, waardoor ze worden omhuld in sferen van onzichtbaarheid. Maar waarom jets vanaf de randen van veel zwarte gaten schieten, is veel moeilijker te begrijpen. "Een van de grootste mysteries in het universum is hoe zwarte gaten jets lanceren," zei Sara Issaoun, een astrofysicus aan de Radboud Universiteit in Nederland.

Nu, door het werk van Issaoun en haar collega's van het Black Hole-observerende Event Horizon Telescope (EHT) -team, is het mysterie begonnen te ontrafelen. Enkele weken geleden heeft de EHT heeft zijn tweede foto van een zwart gat vrijgegeven - een ander beeld van dezelfde vurige ring ontpit door duisternis gezien in 2019. Beide afbeeldingen tonen het gloeiende plasma rond het superzware zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel M87, waarvan de gigantische straal buiten het beeld oprijst. Anders dan op de eerste foto heeft de ring in de nieuwe afbeelding strepen, wat aangeeft dat het licht sterk gepolariseerd is.

Experts zeggen dat het spiraalpatroon van de strepen het gevolg is van een sterk, ordelijk magnetisch veld rond het M87 zwarte gat, en dat dit het eerste significante empirische bewijs is ten gunste van een populaire 44-jarige theorie van jetlancering, bekend als de Blandford -Znajek-proces.

Roger Blandford en Romeinse Znajek, jonge natuurkundigen aan de Universiteit van Cambridge in 1977, betoogde dat roterende superzware zwarte gaten omringende magnetische velden in een strakke helix zullen verdraaien, en dat deze verdraaiing een spanning zal creëren die energie omhoog en uit het gat en langs de helix trekt. Dit, zo beweerden ze, is de jet - en een grote asterisk voor het naïeve idee dat niets aan zwarte gaten ontsnapt.

Destijds waren alle ingrediënten van het proces speculatief, maar de nieuwe waarnemingen bevestigen het idee van Blandford-Znajek. "Wat we in onze afbeelding zien, is geordende polarisatie in een spiraalvorm", zei Issaoun, die betrokken was bij het analyseren van de polarisatiemetingen. "En de vorm van het magnetische veld is ook spiraalvormig ... wat betekent dat het in staat is om een ​​straaljager te lanceren."

"Ik ben erg blij", zei Znajek, nu een gepensioneerd gemeenteraadslid van Cambridge, per e-mail.

Bovendien wijzen de nieuwe waarnemingen op een van de twee rivaliserende versies van het Blandford-Znajek-proces die de afgelopen decennia zijn ontwikkeld en onderzocht in honderden computersimulaties, bekend als de MAD- en SANE-jetlanceringsscenario's. Deze concurrerende ideeën schilderen tegengestelde beelden van het milieu van een zwart gat en, in het bijzonder, de oorsprong en sterkte van zijn magnetisch veld.

SANE-modellen, die uitgaan van zwakkere velden, werden lange tijd als meer aannemelijk beschouwd. Maar het sterk gepolariseerde licht in de nieuwe foto van de Event Horizon Telescope wijst op sterke magnetische velden, en dus op de MAD-versie van gebeurtenissen. Het nieuwe imago "lijkt MAD-modellen sterk te begunstigen", zei Alexander Chen, een theoretisch astrofysicus aan de Universiteit van Colorado die geen deel uitmaakt van EHT.

Er is meer te ontdekken over jets met zwarte gaten en hun rol in de kosmos. De meningen verschillen over verschillende elementen van het MAD-scenario, en MAD laat veel vragen onbeantwoord die onderzoekers onderzoeken in simulaties van de volgende generatie. Al die tijd blijven ze onder de indruk.

"Het zwarte gat in M ​​87 is ongeveer zo groot als ons zonnestelsel", zei Issaoun, maar het produceert een stroom witgloeiend plasma van 5,000 lichtjaar. Dat is net als het Vrijheidsbeeld dat uit een knikker springt. Elke seconde stroomt er zo'n 3 biljoen biljoen biljoen joules aan energie door de straal - 500 biljoen keer meer energie dan de hele menselijke bevolking in een decennium verbrandt. "Hoe kan zoiets kleins zo krachtig zijn?"

De opwindschroef

De jet van de M87 was de eerste die ooit werd ontdekt. Heber Curtis observeerde het in 1918 - "een merkwaardige rechte straal" die uit het midden van een wazige lichtvlek komt die Curtis een paar jaar later hielp identificeren als een sterrenstelsel buiten het onze. De theoretische mogelijkheid van zwarte gaten - haken en ogen in het anders gladde weefsel van ruimte-tijd - was pas twee jaar eerder bedacht, maar het zou 60 jaar duren voordat Blandford en Znajek zwarte gaten met jets zouden verbinden.

Ze waren een postdoc en een afgestudeerde student in Cambridge in de jaren zeventig, toen er zwarte gaten in de lucht hingen. Stephen Hawking werkte iets verderop in de gang. Roger Penrose was in Londen, waar hij theoretiseerde over het zwarte gat dat uiteindelijk zou gebeuren verdiende hem de Nobelprijs voor natuurkunde in 2020. Astronomen begonnen zwarte gaten ook serieus te nemen, met waarnemingen die suggereerden dat de röntgenbron Cygnus X-1 zo'n object was.

Blandford en Znajek waren gefocust op de raadselachtige overvloed aan zogenaamde dubbele radiobronnen - enorme, heldere, radio-uitzendende klodders die aan weerszijden van verre melkwegstelsels zaten. Theorieën waren er in overvloed over wat deze zouden kunnen zijn. Blandford en Znajek, ondergedompeld in hun invloedssfeer van het zwarte gat, waren vroege bekeerlingen tot het juiste antwoord: de klodders spuwen uit de uiteinden van jets die in tegengestelde richtingen uit een groot zwart gat in het centrum van de melkweg schieten.

Astrofysici zouden dat uiteindelijk doen bevestigen dat superzware zwarte gaten in feite sterrenstelsels verankeren, maar in die tijd speculeerden Blandford en Znajek - niet alleen over de aanwezigheid van zwarte gaten, maar ook over hun jetgenererende vermogen. "Het fundamentele probleem is dat je een krachtbron nodig hebt", zei Blandford, die nu professor is aan de Stanford University, in een videogesprek.

De Amerikaanse natuurkundige Roy Kerr had in 1963 de vergelijkingen voor een draaiend zwart gat opgelost, waarmee hij aantoonde dat het gat, terwijl het onzichtbaar draait, het weefsel van de ruimte-tijd met zich mee sleept. Toen bewees Roger Penrose dat draaiende zwarte gaten kunnen vertragen, en dat ze daarbij hun rotatie-energie in iets anders veranderen. "We begrepen allebei het Penrose-proces", zei Blandford, die bewees dat zwarte gaten "als het ware geen eenrichtingsmembranen zijn; je kunt de spin-energie extraheren. We hebben een manier laten zien om dat te doen met elektromagnetische velden. "

Ze wisten dat een groot zwart gat in het centrum van een melkwegstelsel, vanwege zijn enorme zwaartekracht, een grote hoeveelheid interstellair gas zal aantrekken. Het gas zal naar het zwarte gat vallen en eromheen draaien en een "accretieschijf" vormen. Het gas zal opwarmen en uiteindelijk zo heet worden dat atomen hun elektronen verliezen, waardoor een plasma ontstaat dat magnetische velden zal transporteren.

Met Kerr's vergelijkingen in de hand toonden Blandford en Znajek aan dat wanneer magnetische veldlijnen van de aanwasschijf op het draaiende gat vallen, de rotatie van het zwarte gat de veldlijnen in een helix zal winden die langs de rotatieas van het gat is georiënteerd. Bewegende magnetische velden genereren een spanning, dus een stroom van elektronen en positronen zal in beide richtingen door de helix gaan stromen, weg van het zwarte gat. Dit is de jet.

In 1977 leek het lanceringsvoorstel van Blandford en Znajek op papier te werken. "Gewoon voorstellen dat dit zou kunnen zijn wat er gebeurt, was een enorme stap voorwaarts", zei Chen. Maar niemand wist of het waar was.

Orde en chaos

Toen de rekenkracht in de jaren '80 en '90 verbeterde, lieten mensen het Blandford-Znajek-proces werken in simulaties. Maar elk ingrediënt - het roterende zwarte gat, het magnetische veld, het licht en de materie in de accretieschijf - was variabel en niemand kende het juiste recept.

In de jaren 2000 ontstond een tweedeling tussen twee klassen computersimulaties: modellen waarin de accretieschijf de show bestuurt, en modellen waarin het magnetische veld domineert.

Aanvankelijk, in de jaren '80, magnetiseerden onderzoekers de accretieschijven in hun simulaties een klein beetje. In deze modellen - later SANE genoemd, een backronym voor "stabiele en normale evolutie" - wervelt het plasma rond het zwarte gat als water rond een afvoer, en zwakke, willekeurig georiënteerde, fluctuerende magnetische veldlijnen wervelen ermee. De turbulentie van het veld zorgt ervoor dat deeltjes botsen en energie en impulsmoment verliezen, waardoor ze in het zwarte gat kunnen vallen in plaats van er alleen maar omheen te draaien. Terwijl het plasma erin valt, levert het zwakke magnetische veldlijnen naar het gat. Veldlijnen stapelen zich er geleidelijk op op en worden daar gehouden door de instroom van plasma. Uiteindelijk verdraait het zwarte gat dit verwarde veld voldoende om een ​​jet te lanceren.

Eind jaren negentig houden onderzoekers van Ramesh Narayan van de Harvard University begonnen met het verhogen van de magnetische veldsterkte rond hun gesimuleerde zwarte gaten om te zien wat er zou gebeuren. Deze natuurkundigen ontdekten dat wanneer het veld sterk genoeg is, het eerder coherent dan turbulent wordt en de accretieschijf bestuurt in plaats van andersom. Magnetische veldlijnen vormen een letterlijk krachtveld rond het zwarte gat, fungeren als huls voor een jet en voorkomen dat plasma in het gat valt. Materie vindt soms een opening, slingert plotseling door de magnetische barrière en glijdt in de afgrond. Maar voor het grootste deel is de schijf op zijn plaats vergrendeld. Deze simulaties werden bekend als "magnetisch gearresteerde schijven" of MAD-modellen.

"Mensen dachten lange tijd dat het SANE-scenario natuurlijker was," zei Andreas Chael, een natuurkundige aan de Princeton University en een lid van het EHT-team dat gespecialiseerd is in MAD-modellen. Heet gas dat van ver naar het zwarte gat drijft "valt niet op een coherente manier naar binnen", zei hij, dus er was geen reden om te verwachten dat magnetisme naar binnen zou migreren met het gas om zich te combineren tot iets ordelijks en sterks. "Vijf jaar geleden deed iedereen voornamelijk SANE-simulaties," zei Chael.

Maar het nieuwe beeld van de Event Horizon Telescope van gepolariseerd licht rond het zwarte gat van M87 wijst stevig in de MAD-richting. Gepolariseerd licht vibreert in een enkel vlak, meestal na weerkaatsing door een oppervlak of wanneer het wordt uitgezonden door geladen deeltjes waarvan de paden gelijkmatig in een magnetisch veld buigen. Het spiraalpatroon op de foto geeft aan dat het trillingsvlak van het licht roteert terwijl je naar verschillende plaatsen rond de ring kijkt, precies zoals verwacht als deeltjes die het licht uitstralen rond magnetische veldlijnen draaien die zelf een samenhangend spiraalpatroon hebben.

Een GEZONDE situatie, met zwakke, turbulente velden, aldus experts, zou een veel zwakker polarisatiepatroon creëren. Zoals het nu is, is het veld in de hele regio sterk - half zo sterk als dat van een koelkastmagneet, zei Issaoun, "maar het is ook zo groot als een zonnestelsel."

Het rechte pad

Om de oorsprong van het merkwaardig sterke magnetische veld rond het gat van M87 (en mogelijk alle andere superzware zwarte gaten met jets) te begrijpen, moeten specialisten eerst de code van het gestreepte polarisatiepatroon kraken. "Op dit moment proberen mensen heel hard om door middel van reverse engineering af te leiden hoe de velden eruit zien," zei Chen.

Ondertussen zijn andere onderzoekers begonnen uit te zoomen op de MAD-situatie; zij zijn simuleren van een grotere regio rond het zwarte gat om te bestuderen hoe sterren de magnetische velden kunnen opwekken die naar het centrum migreren. "Het verbinden van dit [magnetisme] met grotere schalen zal de komende jaren heel belangrijk worden", zei Chael.

Met de tegenovergestelde benadering: een drietal jonge onderzoekers - Sasha Filippov, Benoît Cerutti en Kyle Parfrey - zoomen in op de geladen deeltjes die de straal omhoog schieten. Hun gedetailleerde simulaties op deeltjesniveau, die miljoenen CPU-uren in beslag nemen, suggereren dat de deeltjes meestal ontstaan ​​door fotonbotsingen boven de polen van het zwarte gat, waarbij ze energie uit het gat stelen terwijl ze van daaruit naar buiten schieten.

Het bestuderen van de deeltjes kan nodig zijn om de algehele structuur van de jets en hun effect op de sterrenstelsels en de intergalactische ruimte waar ze doorheen steken te bepalen. Veel jets zijn over de hele lengte dun en helder. “Hoe glanst het? Hoe zien we het? " Vraagt ​​Chen zich af. In het geval van de jet van de M87 “zien we hem heel duidelijk in de lucht. Soms breekt het in knopen, en soms is het continu, maar het is opmerkelijk recht en dun. Als we dat begrijpen, zullen we zeker begrijpen hoe het interageert met het galactische en intergalactische medium - bijvoorbeeld hoe het energie naar de melkweg overbrengt. "

De EHT-samenwerking zal deze inspanningen blijven sturen. Tegen het einde van dit jaar zijn ze van plan een blik te publiceren op het zwarte gat in het centrum van ons eigen melkwegstelsel, een rustig beest genaamd Sagittarius A * dat al dan niet een zwakke straal heeft. Vervolgwaarnemingen van het zwarte gat van M87 zullen laten zien hoe de omgeving van dat gat in de tijd varieert, wat de snelheid van het ronddraaien zal beperken.

Zelfs als het verhaal van jets met zwarte gaten wordt geschreven, lijkt het gevoel van verwondering van de natuurkundigen tot dusverre onverminderd. 'Je hoeft alleen maar naar deze jets te kijken,' zei Blandford, die erover blijft theoretiseren. 'Het zijn kaarsrechte dingen. Sommige zijn als lijnen in de lucht. … Het is verbazingwekkend dat de natuur in staat is om deze structuren te maken. Ja, ik ben onder de indruk. "