The First Measurement of Jet Collimation Profiles in an X-ray Binary: the Case of SS 433

Stel je het universum voor als een kosmische bouwplaats, waar massieve zwarte gaten en neutronensterren fungeren als de ultieme energiecentrales. Deze motoren zitten niet alleen maar stil; ze spuiten ongelooflijk snelle stromen deeltjes uit, zogenaamde "jets", die met bijna de snelheid van het licht de ruimte in worden geschoten. Decennialang hebben astronomen geprobeerd te ontdekken hoe deze jets bij elkaar blijven. Spuiten ze eruit als een brede, chaotische brandslang die alle kanten op spat, of worden ze samengeperst tot een strakke, gefocuste laserstraal? We kennen het antwoord al voor de supermassieve zwarte gaten in de centra van reusachtige sterrenstelsels, maar voor de kleinere, "baby" zwarte gaten in onze eigen buurt (genaamd röntgen-dubbelsterren), zijn we nooit in staat geweest om een duidelijk genoeg beeld te krijgen om te zien hoe zij hun jets vormen. Het is alsof je probeert de spuitmond van een tuinslang te bestuderen vanaf een kilometer afstand — je weet dat er water uitkomt, maar je kunt niet zien of het een sproeier of een straal is.

Hier komt de ster van ons verhaal, SS 433, in beeld. Het is een beroemde kosmische vreemde eend in de bijt in ons eigen sterrenstelsel, een systeem waar een zwart gat gulzig een begeleidende ster opeet en twee krachtige jets in tegengestelde richtingen uitstoot. Omdat SS 433 zo helder en actief is, is het de perfecte kandidaat om eindelijk een goed kijkje te nemen in hoe deze jets worden gevormd. De grote vraag is: terwijl deze jets zich van hun bron verwijderen, behouden ze dan hun vorm, of wiebelen en verspreiden ze zich? Het begrijpen hiervan helpt ons te begrijpen wat de regels van de natuurkunde zijn die bepalen hoe energie door het universum beweegt, of het nu gaat om een klein sterrensysteem of een monster ter grootte van een sterrenstelsel.

In dit nieuwe onderzoek besloot een team van astronomen om SS 433 nauwer onder de loep te nemen met behulp van een superkrachtige "virtuele telescoop" die tot stand is gekomen door radio-schotelantennes over de hele wereld aan elkaar te koppelen. Deze techniek, genaamd Very Long Baseline Interferometry (VLBI), werkt als een gigantische vergrootglas, waardoor ze details kunnen zien die zo klein zijn als een paar duizendsten van een boogseconde. Door naar gegevens te kijken die zijn verzameld in 1995, 1998 en 2000, slaagden ze erin om de breedte van de jets te meten terwijl deze zich van het centrale zwarte gat verwijderen.

De resultaten zijn alsof je naar een goocheltruc kijkt die zich ontvouwt. Wanneer ze naar de jet keken die naar ons toe komt (de "naderende" jet) met behulp van gegevens uit 1995 en 1998, vonden ze dat deze een zeer specifiek profiel had: een "quasi-parabolisch" profiel. Stel je een waterslang voor die breed begint en dan steeds strakker wordt geperst terwijl het water naar voren schiet, in plaats van dat het uitwaaiert. De jet begon met een brede openingshoek van ongeveer 20 graden, maar werd geleidelijk smaller tot slechts 3 graden naarmate hij verder van de bron af bewoog. Dit suggereert dat de jet wordt "gecollimeerd", of samengeperst tot een strakke straal, terwijl hij zich van de bron verwijdert.

Echter, het verhaal wordt wat wiebelig wanneer ze naar de gegevens van het jaar 2000 kijken. In die beelden volgde de breedte van de jet niet een vloeiende lijn; in plaats daarvan vertoonde het "lokale oscillaties", of kleine bulten en hobbels, waardoor het moeilijk was om een enkele perfecte curve te tekenen. Het is alsof de slang trilt of pulseert, wat het moeilijk maakt om precies te zeggen hoe de vorm op dat specifieke moment veranderde. Ondanks deze bulten liet de algemene trend nog steeds zien dat de jet smaller werd, wat bewees dat het samenpergingseffect echt is. Het team keek ook naar de jet die van ons af beweegt (de "wijkende" jet), maar die was moeilijker duidelijk te zien omdat deze werd gedimd door een wolk van gas, een beetje zoals proberen een zaklamp te zien door een dikke mist.

Een van de coolste dingen die ze ontdekten, was hoe de "kern" van de jet — de heldere plek vlak bij het zwarte gat — verschuift afhankelijk van de gebruikte radiofrequentie. Ze ontdekten dat de kern dichter bij het centrum komt naarmate de frequentie hoger wordt, volgens een specifieke wiskundige regel die overeenkomt met wat we zien bij jets in reusachtige sterrenstelsels. Dit is de eerste keer dat een dergelijke relatie is gemeten in een sterensysteem zoals SS 433.

Dus, wat betekent dit allemaal? De auteurs suggereren dat SS 433 de eerste röntgen-dubbelster is waarbij we daadwerkelijk kunnen zien hoe de jet wordt samengeperst tot een strakke straal terwijl deze reist. Hoewel de gegevens uit 2000 wat rommelig waren met hun wiebelingen, geven de gegevens uit 1995 en 1998 een duidelijk beeld van een jet die breed begint en smaller wordt, wat bewijst dat deze kosmische stromen actief worden gevormd en begrensd door krachten die we net beginnen te begrijpen. Het is een grote stap voorwaarts in het begrijpen van hoe deze kosmische motoren werken, en laat zien dat zelfs de kleine zwarte gaten in onze buurt enkele van dezelfde regels volgen als de reuzen in de centra van sterrenstelsels.