Astronomen van de Universiteit van Amsterdam hebben met computersimulaties onderzocht hoe een snel draaiend zwart gat bij het opslokken van materie ook energie uitstoot in de vorm van relativistische jets.
Dankzij een revolutionair snellere rekenmethode konden de sterrenkundigen - voor het eerst - laten zien dat deze straalstromen gestaag van richting kunnen veranderen (kantelen) doordat de ruimtetijd wordt meegesleept met de draaiing van het zwarte gat. Het resultaat is geaccepteerd voor publicatie in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Snel draaiende zwarte gaten blazen materie met bijna de lichtsnelheid de ruimte in. Dit komt doordat de kolkende materie rondom het zwarte gat is doorvlochten met magnetische velden. Het zwarte gat sleept de gekromde ruimtetijd met zich mee en wikkelt zo magneetvelden om zich heen. Hierbij ontstaat een soort lanceerbuis, van waaruit energie wordt uitgestoten: de relativistische jets.
De kolkende materie rondom een zwart gat vormt een draaiende schijf. Deze draait vaak om een andere as dan het zwarte gat zelf. Astronomen denken dat door het meesleepeffect de schijf gaat kantelen rondom de draaiingsas van het zwarte gat. Dit wordt precessie genoemd. Dat de jets blijken mee te kantelen met de schijf, kan schommelingen verklaren in de intensiteit van infrarood licht bij zwarte gaten ('quasi-periodieke oscillaties' of QPO’s). Dat is vergelijkbaar met de manier waarop de zwiepende lichtbundel van een vuurtoren veel intenser wordt wanneer die precies richting waarnemer wijst. In 1985 werden QPO’s voor het eerst ontdekt in de omgeving van zwarte gaten (als röntgenstraling) door Michiel van der Klis, nu coauteur op het artikel.
De reden dat het kantelen van de jets niet eerder werd gevonden, is dat 3D-simulaties van de omgeving van een snel draaiend zwart gat erg veel rekenkracht kosten. Er zijn effecten op kleine schaal (magnetische turbulentie in de schijf) én op grote schaal (relativistische jets). Bovendien moet in de berekeningen met alle complicaties van Einsteins zwaartekrachttheorie rekening worden gehouden. Hoofdauteur Matthew Liska, promovendus van Van der Klis, heeft in de afgelopen drie jaar een nieuwe simulatiecode ontwikkeld die veel snellere berekeningen kan uitvoeren.
"Met behulp van de Amerikaanse supercomputer Blue Waters werd een hogere resolutie bereikt dan ooit - tot wel 1 miljard pixels"
Met behulp van de Amerikaanse supercomputer Blue Waters werd een hogere resolutie bereikt dan ooit (tot wel een miljard pixels). Deze computer bevat duizenden grafische kaarten, oorspronkelijk ontworpen voor de gaming-industrie. “Elk van deze grafische kaarten bevat weer duizenden rekenmachines. De uitdaging is om deze efficiënt te benutten en met elkaar te laten communiceren,” zegt Liska. Tweede auteur Casper Hesp (masterstudent sterrenkunde en neurowetenschap aan de UvA) gebruikte dezelfde supercomputer om de simulaties in beelden om te zetten, waarop duidelijk is te zien hoe de jets van richting veranderen.
De resultaten zijn van belang voor verdere berekeningen aan draaiende zwarte gaten die momenteel overal ter wereld worden uitgevoerd. Hiermee proberen sterrenkundigen recent ontdekte spectaculaire verschijnselen te begrijpen zoals versmeltingen van dubbele zwarte gaten, en het opslokken van gewone sterren door superzware zwarte gaten.
Wat we willen weten is of Einsteins voorspellingen, die tot nu toe altijd zijn uitgekomen, ook precies kloppen voor de extreme zwaartekracht vlak bij een draaiend zwart gat
De berekeningen worden ook ingezet bij de interpretatie van de waarnemingen van de Event Horizon Telescope (EHT), die de eerste opnamen maakt van het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Coauteur Sera Markoff, begeleider van Hesp en lid van de wetenschappelijke adviesraad van de EHT: “Wat we willen weten is of Einsteins voorspellingen, die tot nu toe altijd zijn uitgekomen, ook precies kloppen voor de extreme zwaartekracht vlak bij een draaiend zwart gat. Dit soort simulaties zijn essentieel om theorie en waarnemingen aan elkaar te koppelen.”
