Al meer dan zes decennia vormt Cygnus X-1 een hoeksteen van de moderne astrofysica. Als het eerste zwarte gat dat ooit door wetenschappers is bevestigd, heeft het gediend als primair laboratorium voor het testen van ons begrip van zwaartekracht en ruimte-tijd. Nu is een baanbrekend nieuw onderzoek er eindelijk in geslaagd de energie van het meest ongrijpbare kenmerk ervan te meten: de ‘dansende’ relativistische jets.
Een kosmisch touwtrekken
Cygnus X-1 bevindt zich op ongeveer 7.000 lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Cygnus en is geen eenzame entiteit. Het bestaat in een binair systeem met hoge inzet en een blauwe superreuzenster, bekend als HDE 226868.
De relatie is roofzuchtig: het zwarte gat, dat ongeveer 21 keer zo zwaar is als onze zon, stript meedogenloos de buitenste lagen van zijn begeleidende ster. Deze gevangen materie vormt een oververhitte, wervelende accretieschijf die intens gloeit in röntgenlicht. Terwijl het zwarte gat ronddraait, lanceren zijn immense magnetische velden twee krachtige bundels plasmastralen vanaf de polen naar buiten.
Het fenomeen van “dansende jets”
Hoewel astronomen al lang weten dat deze jets bestaan, zijn ze historisch gezien ongelooflijk moeilijk te meten geweest. Deze moeilijkheid komt voort uit een unieke hemelse interactie:
- De oorzaak: De begeleidende ster, HDE 226868, zendt krachtige stellaire winden uit: onzichtbare windstoten van geladen deeltjes.
- Het effect: Deze winden beuken voortdurend tegen de jets van het zwarte gat, waardoor ze van de ster worden weggeduwd.
- De beweging: Omdat de twee objecten rond een gemeenschappelijk massamiddelpunt draaien, lijken de jets vanuit ons perspectief op aarde te zwaaien of wiebelen.
Hoofdonderzoeker Steve Prabu van de Universiteit van Oxford beschrijft deze beweging als “dansende jets.”** Door radiotelescoopgegevens van over de hele wereld te combineren, konden onderzoekers eindelijk rekening houden met deze constante beweging en de werkelijke eigenschappen van de jets berekenen.
Belangrijkste bevindingen: snelheid en kracht
De studie, gepubliceerd in Nature Astronomy, onthult de duizelingwekkende omvang van deze uitstroom:
– Snelheid: De jets vliegen met een snelheid van ongeveer 335 miljoen mph (540 miljoen km/u), wat ongeveer de helft van de lichtsnelheid is.
– Energieopbrengst: De jets stralen een energie uit die overeenkomt met ongeveer 10.000 zonnen.
– Efficiëntie: Het belangrijkste is dat uit het onderzoek blijkt dat ongeveer 10% van de energie die vrijkomt als materie in het zwarte gat valt, door deze jets wordt meegevoerd.
Waarom dit belangrijk is voor de moderne natuurkunde
Deze ontdekking is meer dan alleen een staaltje van meten; het biedt een cruciaal ‘anker’ voor de theoretische natuurkunde.
Jarenlang hebben wetenschappers grootschalige simulaties gebruikt om te modelleren hoe het universum evolueert, waarbij ze uitgaan van een energieoverdracht van 10% via jets. Tot nu toe was dit een theoretische aanname. Door dit te bevestigen door directe observatie van Cygnus X-1 kunnen wetenschappers nu hun modellen valideren.
Omdat wordt aangenomen dat de wetten van de natuurkunde universeel zijn, zijn deze bevindingen bovendien van toepassing op alle zwarte gaten – van kleine objecten met een stellaire massa zoals Cygnus X-1 tot de superzware zwarte gaten die in de centra van sterrenstelsels worden aangetroffen. Het begrijpen van deze jets is essentieel voor het begrijpen van de galactische evolutie, omdat deze enorme uitstromen fungeren als een ‘feedbacklus’, die de gas-, stof- en stervorming van het hele sterrenstelsel eromheen vormgeeft.
‘Omdat onze theorieën suggereren dat de fysica rond zwarte gaten erg op elkaar lijkt, kunnen we deze meting nu gebruiken om ons begrip van [andere] jets te verankeren’, zegt co-auteur James Miller-Jones.
Conclusie: Door met succes de grillige, ‘dansende’ jets van Cygnus X-1 te meten, zijn astronomen van theoretische aannames overgegaan op observationeel bewijs, wat een essentiële maatstaf vormt voor de manier waarop zwarte gaten de evolutie van de kosmos beïnvloeden.
