Ruimte

Astronomen kunnen de eerste foto van een zwart gat hebben

Met behulp van een uitgestrekt netwerk van telescopen hebben wetenschappers nu gegevens in handen die de grenzen van onze kennis over zwaartekracht kunnen oprekken. donderdag, 9 november

Door Ron Cowen

Na vijf nachten van observaties hebben astronomen bekendgemaakt dat er een goede kans bestaat dat ze eindelijk de langverwachte eerste foto hebben gemaakt van die beruchte kosmische afvoerput van zwaartekracht, een zwart gat.

Om precies te zijn hebben ze een opname gemaakt van het mysterieuze gebied rondom een zwart gat. Deze zogenaamde ‘waarnemingshorizon’ (event horizon) is de grens waarbinnen niets meer aan de ontzagwekkende greep van een zwart gat kan ontsnappen – zelfs niet het licht.

Toen de laatste observatiesessie om precies 11.22 uur ’s ochtends werden afgesloten, zat teamlid Vincent Fish tevreden in zijn kantoor in het Haystack Observatory van het MIT in Westford, Massachusetts. De afgelopen week was Fish voortdurend stand-by geweest, waarbij hij hooguit af en toe een dutje kon doen – met zijn mobieltje naast hem en het belsignaal op ‘luid’.

Terwijl de laatste gegevens naar de observatoria van het project werden gezonden, zag hij wild enthousiaste commentaren binnenstromen op een speciale chatlijn voor radio-astronomen en -ingenieurs. Een van de chatters zei dat hij een fles Scotch van vijftig jaar oud zou opentrekken. Een andere luisterde naar de triomfantelijke akkoorden van Queens Bohemian Rhapsody.

‘Ik ben heel gelukkig en heel erg opgelucht, en ik verheug me op een goede nachtrust,’ zei Fish.

Maar dat gevoel van opluchting gaat gepaard met een zweem van gespannen verwachting: veel van de enorme hoeveelheid gegevens moet nog worden verwerkt, en de teamleden zullen maandenlang moeten wachten voordat ze echt zeker weten of hun grootschalige project een succes is geweest.

‘Ook al zijn de eerste beelden van lage kwaliteit en onscherp, we kunnen voorlopig wel enkele basisvoorspellingen testen van Einsteins zwaartekrachttheorie in het extreme geval van een zwart gat,’ aldus radio-astronoom Heino Falcke van de Radboud Universiteit Nijmegen.

De revolutionaire theorie die Einstein in 1915 voorstelde, hield in dat materie het weefsel van de ruimtetijd vervormt en dat we die vervorming ervaren als zwaartekracht. Het bestaan van zwarte gaten met een extreem hoge massa was een van de eerste voorspellingen van Einsteins theorie. (Lees ook: Einstein zou gelijk kunnen hebben – alwéér’.)

‘Zwarte gaten zijn ultieme eindpunten van ruimte en tijd, en ze vormen misschien ook de uiterste grens van onze kennis,’ zegt Falcke. Astronomen hebben alleen indirect bewijs voor de hypothese dat er een zwart gat in het centrum van elk groot sterrenstelsel in het universum huist. Zelfs Einstein wist niet zeker of zwarte gaten uiteindelijk wel bestonden.

Volgens Falcke zullen deze eerste beelden ‘het zwarte gat veranderen van een of ander mythisch object in iets concreets dat we kunnen bestuderen.’

“De kans dat we op alle plekken tegelijk echt goed weer hadden, was bijna nihil”

door Vincent Fish

Uitputtende nachtwacht

Om zover te kunnen komen waren jaren van intensieve planning en samenwerking nodig, in een gezamenlijke inspanning van observatoria overal ter wereld – van de hoogste berg op Hawaï tot de koudste regio van de Zuidpool. Dankzij dit netwerk van acht sterrenwachten, die met behulp van elektronica onderling met elkaar communiceerden, kon één grote schoteltelescoop met de virtuele omvang van de aarde worden gecreëerd.

De virtuele radioschotel genaamd Event Horizon Telescope richtte zijn blik voor het eerst op de hemel tijdens een tiendaagse sessie die op 4 april van start ging.

De telescoop stelde scherp op twee superzware zwarte gaten: een reus met een massa van vier miljoen zonnen die in het hart van onze Melkweg huist en Sagittarius A* wordt genoemd, en een zwart gat dat nog eens 1500 maal zwaarder is en zich in het centrum van het naburige sterrenstelsel M87 bevindt.

De Event Horizon Telescope had de omgeving van deze beide monsters al eerder bestudeerd, maar ditmaal werden in het project ook de observaties verwerkt van de telescoop op de Zuidpool en die van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een groep van 66 radioschotels in Chili.

ALMA maakt het oplossend (‘scheidend’) vermogen van de Event Horizon Telescope tienmaal groter, waardoor objecten zo klein en ver als een golfbal op de maan kunnen worden gespot. Daarmee kan de virtuele telescoop de – verrassend kleine – waarnemingshorizonten rond de superzware zwarte gaten in beeld brengen.

Na jaren van getouwtrek over observatietijd en het uitrusten van alle deelnemende telescopen met cruciale elektronica, was het team uiteindelijk overgeleverd aan iets waarover het geen controle had: het weer.

Astronomen observeren zwarte gaten in radiogolven, met golflengten in het millimeterbereik, waardoor de straling van verre objecten in staat is om door dichte concentraties van gas en stof in het centrum van een sterrenstelsel heen te breken en daarna relatief ongehinderd naar de aarde te reizen.

Een probleem daarbij is dat radiogolven worden geabsorbeerd en ook worden uitgezonden door water, waardoor observaties kunnen worden verstoord door vocht in de atmosfeer.

Om dit euvel zo klein mogelijk te houden worden radiotelescopen op grote hoogten als bergtoppen of hooggelegen woestijnplateaus geplaatst, maar zelfs dan moeten de observaties soms worden stopgezet wegens overdrijvende bewolking, regen of sneeuw. Ook harde windstoten kunnen een telescoop uitschakelen.

Met een observatieruimte van slechts vijf nachten kwamen Fish en zijn collega’s dagelijks bijeen voor een zenuwslopende beslissing: moest het netwerk wel of niet worden geactiveerd? Daarbij moesten ze jongleren met informatie over de actuele weersomstandigheden op acht observatieplekken en met de vraag hoe deze omstandigheden de volgende dagen zouden kunnen veranderen. Vanuit het MIT-observatorium hield Fish het weer op de acht plekken in de gaten op een computerscherm terwijl hij op een ander scherm overlegde met de astronomen.

‘Het is een enorme domper wanneer je op een nacht aan de slag gaat en er vervolgens slecht weer opduikt,’ of wanneer observaties worden stopgezet in een nacht die later heel geschikt blijkt te zijn, zegt Shep Doeleman, directeur van de Event Horizon Telescope en verbonden aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts.

Hopen op het beste

Nu alle vijf observatiedagen zijn afgesloten, bereiden de astronomen zich voor op een lange periode van afwachten – en maanden van analyses – voordat ze zeker weten of ze daadwerkelijk een portret van een zwart gat hebben geproduceerd.

De observatoria hebben zóveel gegevens verzameld dat die niet langs elektronische weg kunnen worden verzonden. Daarom is de informatie van de acht telescopen – vergelijkbaar met de opslagcapaciteit van tienduizend laptops – op 1024 harde schijven gezet. De harde schijven gaan per koerier naar het datacentrum van de Event Horizon Telescope in het Haystack-observatorium van het MIT en naar het Max-Planck-Institut für Radioastronomie in het Duitse Bonn.

De harde schijven van de Zuidpool kunnen pas na het einde van het winterseizoen, eind oktober, worden uitgevlogen.

Wanneer de gegevens eenmaal de beide datacentra hebben bereikt, gaat een cluster van servers een allesbepalende taak uitvoeren: het combineren van de signalen (met tijdsaanduiding) van alle acht observatoria. Het vergelijken en combineren van de radiogolven moet met de hoogst mogelijke precisie gebeuren, zodat cruciale gegevens over de omvang en structuur van de waarnemingshorizonten niet verloren gaan wanneer ze worden samengevoegd.

De techniek van het combineren van radiogolven, VLBI (Very Long Baseline Interferometry) of ‘interferometrie op zeer lange basis’, wordt in de radioastronomie veel toegepast. Maar meestal worden niet zoveel observatoria gebruikt en zijn deze over een kleiner gebied verspreid.

‘We proberen een coherent verhaal te halen uit een netwerk zo groot als de aarde, wat ongelooflijk is als je erbij stilstaat,’ zegt Doeleman.

Wat de astronomen hopen te vinden als ze eenmaal alle signalen bij elkaar hebben opgeteld, is een halo van licht rondom een zwart gat – de ‘schaduw’ van het monster. De sikkel van licht wordt veroorzaakt door stralende gassen die tot vele honderden miljarden graden zijn verhit en rond het zwarte gat tollen, waardoor ze een contour vormen van de regio die net buiten de waarnemingshorizon ligt.

Uit sommige simulaties kan worden opgemaakt dat deze halo aan één kant dikker en helderder zal zijn dan aan de andere kant, waardoor het geheel doet denken aan ‘een doppinda die nooit een schoonheidsprijs zal winnen’, in de woorden van Falcke.

Mochten de geleerden uit deze observatieperiode géén beeld kunnen destilleren, dan hebben Doeleman en zijn collega’s alweer een nieuw project klaarliggen: volgend jaar een tweede poging doen, dan met een nóg groter netwerk van radiotelescopen.

‘In de komende tien tot vijftig jaar zouden we zelfs in staat moeten zijn om haarscherpe beelden te genereren, want het netwerk zal worden uitgebreid tot Afrika en uiteindelijk tot in de ruimte.’

Lees meer