Astronomerna fann att strålarna i stället för att flyta jämnt är fulla av täta gasmoln som verkar kollidera och smälta samman när de sprängs utåt med nästan ljusets hastighet. Kollisionerna gör att de heta fläckarna tillfälligt blossar upp i ljusstyrka när chockvågor rör sig genom dem, för att sedan avta när chockvågorna försvinner.
"Vi har vetat under en tid att jetplanen inte är jämna och enhetliga, men dessa nya observationer låter oss äntligen se vad som faktiskt pågår inuti dessa jetplan", säger Nathan Smith vid University of California, Berkeley, huvudförfattare till en artikel som godkänts för publicering i The Astrophysical Journal.
Upptäckten tyder på att flimrandet av de heta fläckarna kan erbjuda ett nytt sätt att analysera dessa jetstrålar, kallade relativistiska jetstrålar, som är vanliga i universum och tros innehålla några av de mest energiska partiklarna man känner till.
Jets är ett av de mest kraftfulla fenomenen i universum. De består av smala strålar av partiklar, mestadels elektroner och protoner, som skjuts ut från svarta hål och neutronstjärnor med hastigheter som närmar sig ljusets hastighet. Det är fortfarande oklart hur jetstrålar kan accelerera partiklar så effektivt.
Observationerna fokuserade på den centrala regionen av radiogalaxen M87, som ligger cirka 54 miljoner ljusår bort i stjärnbilden Jungfrun. I dess hjärta finns ett supermassivt svart hål med en massa som är cirka 3 miljarder gånger vår sols massa.
Smiths team använde Hubbles Space Telescope Imaging Spectrograph-instrument (STIS) för att få långexponerade bilder av den inre jetstrålen under många månader. De skapade sedan filmer genom att kombinera en serie med 22 kortexponerade bilder tagna under 20 minuter. Filmerna avslöjar att de ljusaste utsläppsknopparna ständigt förändras, medan vissa förblir fixerade.
"För första gången kan vi direkt observera material som kolliderar inuti en jet," sa Smith. "Förut var det bästa vi kunde göra att studera efterdyningarna av dessa händelser. Nu kan vi se interaktionerna i realtid."
En möjlighet som resultaten ger upphov till är att knutarna i strålen kan vara en del av en naturlig "fokuserande" effekt. När strålarna strömmar ut från det svarta hålet drar de med sig omgivande gas från omgivningen, vilket saktar ner dem. Det långsammare materialet skapar en slags "fokuseringskrage" runt strålen som gör att den klämmer, vilket gör att knutarna kan kollidera och smälta samman lättare.
Observationerna visar att materialklumparna ser ut att "surfa" längs stötvågor som rör sig nedför strålen med mer än 99,5 procent av ljusets hastighet. Astronomerna har uppskattat storleken på klumparna till cirka 1 000 gånger storleken på vårt solsystem.
"Dessa klumpar kan vara analoga med trafikstockningarna vi upplever på motorvägen, där bilar saktar ner och samlas bakom en flaskhals," sa Smith. "Istället för bilar bromsas dessa materialklumpar av kollisionen med den omgivande gasen."
Forskarna fann att ljusstyrkan hos vissa hot spots förblev konstant under observationernas varaktighet. De tror att dessa fläckar kan orsakas av stående chockvågor, som liknar bogchockvågen framför ett fartyg som rör sig genom vattnet, snarare än de rörliga chockvågorna som skapas av klumparna.
Filmerna avslöjar också att hastigheten med vilken klumparna rör sig minskar när de färdas ner i strålen. Det är första gången som astronomer direkt har kunnat observera denna retardation inuti ett jetplan.
Observationerna kommer att göra det möjligt för forskare att förfina modeller av jetfysik och utveckla en bättre förståelse för hur galaxer kan omvandla gravitationsenergin från svarta hål till den enorma energi som jetstrålar bär.
