In het hart van een reusachtig sterrenstelsel dat zich op een afstand van 55 miljoen lichtjaar van de aarde bevindt, braakt een zwart gat met een massa van 6,5 miljard zonnen een fontein van materie uit die bijna de snelheid van het licht bereikt. Met behulp van een stelsel van gekoppelde telescopen dat de naam Event Horizon Telescope (EHT) draagt, maakten wetenschappers in 2019 een opname in radiogolven van dat monster, waarmee ze de mensheid voor het eerst een visuele indruk van de directe omgeving van een zwart gat boden.
Het internationale team dat die verbluffende opname maakte, heeft nu samen met aanvullende partners de resultaten gepubliceerd van een observatiecampagne in 2017, toen het sterrenstelsel waarin zich het bewuste zwarte gat bevindt, Messier 87, in meerdere golflengten is geobserveerd.
De resultaten, die afgelopen week in The Astrophysical Journal zijn gepresenteerd, omvatten gegevens van negentien observatoria, zowel hier op aarde als in de ruimte, en zijn wetenschappelijk beschreven door een team van ruim 750 onderzoekers. De nieuwe studie biedt een completer beeld van het superzware zwarte gat en zijn reusachtige straalstroom, waardoor de onderzoekers meer inzicht kunnen krijgen in de wisselwerkingen tussen straling, magneetvelden, deeltjes en de zwaartekracht in de onmiddellijke omgeving van een superzwaar zwart gat – en dat op meerdere schaalgrootten.
“Dit is zo’n beetje het toppunt wat je als natuurkundige voor je kiezen kunt krijgen, nietwaar? Alles zit erin,” zegt Daryl Haggard, astronome aan de Canadese McGill University en een van de coördinatoren van de observaties in meerdere golflengten. “We beginnen nu echt omloopbanen te zien, kijken naar het gebied rond het zwarte gat en onderzoeken die bizarre omgeving.”
“Ik denk dat dit een van de studies is waarmee de EHT tot de rest van de wetenschappelijke gemeenschap spreekt. Het is een voorpoefje van wat dit telescopenstelsel probeert te doen,” zegt Sera Markoff van de Universiteit van Amsterdam en lid van het EHT-team. “Het voelt alsof je aan het begin van alles staat.”
Momenteel is het EHT-team bezig met een cruciale observatiecampagne van twaalf dagen, de eerste die de wetenschappers sinds 2018 wegens technische problemen en de coronavirus-pandemie konden uitvoeren. Ditmaal zijn er nóg drie telescopen aan het stelsel van observatoria gekoppeld, waaronder één op Groenland, en opnieuw wordt het zwarte gat in een hele reeks golflengten van het elektromagnetische spectrum in kaart gebracht – zolang het weer tenminste meewerkt.
“Je hebt op alle locaties van de telescopen heel goede weersomstandigheden nodig,” zegt Monika Moscibrodzka van de Radboud Universiteit in Nijmegen. “En hoe meer locaties je hebt, des te lager de kans dat het op al die plekken gelijktijdig mooi weer is.”
Kosmische donut
Zwarte gaten behoren al een eeuw lang tot de meest raadselachtige en fascinerende astronomische fenomenen die worden bestudeerd. Door hun extreme natuurkundige omgeving en het feit dat niets aan een zwart gat kan ontsnappen zodra het in de muil van zo’n monster is gevallen, spreken zwarte gaten tot de verbeelding. Maar deze kosmische zinkgaten zijn nog maar sinds kort beter in beeld gekomen. Dat is vooral te danken aan de opname van de EHT en daarnaast aan meerdere, met de Nobelprijs bekroonde studies van objecten die rond het superzware zwarte gat in het centrum van onze Melkweg draaien en aan de schat aan gegevens die kan worden afgeleid uit observaties van fuserende zwarte gaten.
“In de laatste paar jaar zijn we van de sciencefiction van zwarte gaten naar de realiteit ervan overgestapt,” zegt Marta Volonteri van het Institut d’astrophysique de Paris.
De Event Horizon Telescope is een stelsel van talloze gekoppelde telescopen die over de hele wereld liggen verspreid, van Groenland tot de Zuidpool, en samen als één reusachtig terrestrisch observatorium fungeren. Om de beelden van M87’s superzware zwarte gat te kunnen maken, moesten er kolossale hoeveelheden gegevens worden samengevoegd – zóveel dat het team al die data niet over het internet kon versturen maar op fysieke harde schijven moest transporteren.
Toen het team in april 2019 zijn eerste opname presenteerde, was de wetenschappelijke gemeenschap verbluft over het feit dat het object er vrijwel identiek uitzag als was voorspeld door een hypothese van een eeuw oud.
De opname van M87 was een goede gelegenheid om Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1915 te testen. Daarin stelde de geleerde dat wat wij als zwaartekracht ervaren, het gevolg is van de kromming van het weefsel van de ruimtetijd door de materie. De omgeving rond het hart van M87 is uitzonderlijk – een intens hete chaos van extreme zwaartekracht, magneetvelden en deeltjes – en dat maakt het tot een van de beste plekken in het universum om Einsteins theorie te testen.
“Iedereen probeert deze theorieën altijd te ontkrachten, omdat we er zoveel van opsteken als iets niet helemaal klopt,” zegt Haggard. “We zijn dus dol op het onderuit halen van hypotheses, maar in het geval van de algemene relativiteit zijn we daar nog nooit in geslaagd.”
Terwijl de theorie van Einstein de confrontatie met M87 doorstond, vergaapte de wereld zich aan de opname van de EHT. Het team figureerde zelfs meerdere keren in de nerdy stripserie XKCD, waarin het zonnestelsel boven op de muil van het zwarte gat was getekend om de omvang van het monster duidelijk te maken. Anderen vergeleken de gloeiende ring rond het zwarte gat met het Oog van Sauron uit de Lord of the Rings-films. Maar het meest verhitte debat ging over de gelijkenis tussen het zwarte gat en ontbijtwaren.
“Lijkt-ie nou meer op een bagel of een donut?” vroeg ook Volonteri zich af.
Dankzij een update van de oorspronkelijke opname, die vorige maand door Moscibrodzka en haar collega’s werd samengesteld, kon die ruzie definitief worden beslecht: het zwarte gat lijkt op een zogenaamde ‘cruller’, oftewel een verstrengelde donut. In de nieuwe opname zijn waarnemingen van het magneetveld rond het zwarte gat bovenop de oorspronkelijke gloeiende ring te zien, waardoor het beeld van een egaal en georganiseerd patroon rond het kolossale object ontstaat. Moscibrodzka en haar collega’s bestudeerden de geladen deeltjes die magnetische veldlijnen aangeven, waardoor de astronomen zich een gedetailleerder beeld van de extreme fysieke omstandigheden in de directe omgeving van het zwarte gat konden vormen.
Waar geen licht ontsnapt
In de nieuwe studie is het smakelijke beeld van de ‘cruller’ verder ingekleurd met behulp van observaties in meerdere golflengten.
Wetenschappers hopen dat deze gecombineerde waarnemingen inzicht zullen bieden in de natuurkunde achter de gigantische straalstroom van deeltjes die door het centrum van M87 wordt uitgebraakt. Die ‘jet’ strekt zich over meerdere lichtjaren door het hele sterrenstelsel uit en wordt op een of andere wijze gelanceerd vanuit een reservoir van intens heet plasma, verwrongen magneetvelden en materie dat rond het zwarte gat wervelt.
Wetenschappers vermoeden dat dit soort straalstromen verantwoordelijk zijn voor ‘kosmische straling’, een type kosmische deeltjes die extreem hoge energieën hebben en tot in onze kosmische omgeving doordringen. Hoewel de zon een beschermende magnetische ‘zeepbel’ om het hele zonnestelsel heen vormt, kunnen de zeer energieke deeltjes toch door dat schild heendringen en zich in de atmosfeer van de aarde boren. Dat doen ze met zóveel snelheid dat ze onmogelijk afkomstig kunnen zijn uit de Melkweg zelf.
“Een van de belangrijkste vragen waarop we een antwoord proberen te vinden, is waar deze hoogenergetische deeltjes precies vandaan komen,” zegt Markoff. “Hoe ontstaan straalstromen, wat wordt daar precies weggeschoten en hoe worden deze deeltjes – die inderdaad afkomstig lijken te zijn van straalstromen die door zwarte gaten worden uitgezonden – tot zulke kolossale snelheden aangejaagd? Maar met de EHT alleen kun je deze kwesties niet oplossen.”
Dankzij de nieuwe observaties krijgen wetenschappers meer inzicht in de straalstroom van M87, die licht in alle golflengten uitzendt, van radiogolven tot gammastraling, en kunnen ze achterhalen of het fenomeen inderdaad deeltjes de ruimte in slingert met snelheden die de zwaarste deeltjesversnellers op aarde nooit zouden kunnen evenaren.
Het scherpere beeld van het zwarte gat kan ook licht werpen op enkele van de meest raadselachtige kenmerken van het zwarte gat in M87, zoals zijn rotatiesnelheid en -richting. Metingen van deze eigenschappen zullen mogelijk antwoord geven op de vraag hoe dit zwarte gat zijn huidige omvang heeft bereikt en of het monster in de afgelopen paar miljard jaar vooral is vetgemest door fusies met andere superzware zwarte gaten of door zich tegoed te doen aan omringende gaswolken.
“In zekere zin is de rotatie van zwarte gaten een betere herinnering aan de manier waarop ze in massa zijn gegroeid dan het meten van de massa’s zelf,” zegt Volonteri.
Aan de EHT-horizon
Gedurende de huidige observatiecampagne richt het team zijn telescopen op M87 om te kunnen achterhalen of het zwarte gat inmiddels is veranderd. Tijdens de campagne van 2017 bevond het object zich in een kalme en sluimerende fase, waardoor het team direct in de muil van het gevaarte kon kijken. Maar “nu willen we graag bekijken hoe M87 op wat langere tijdschaal verandert. We zijn heel nieuwsgierig naar wat we ditmaal zullen aantreffen,” zegt Moscibrodzka.
Het EHT-team richt zijn vizier ook op het superzware zwarte gat dat zich het dichtst bij de aarde bevindt: Sagittarius A* (SgrA*), dat in het centrum van onze eigen Melkweg huist. Met een massa van ongeveer vier miljoen zonnen is SgrA* minder indrukwekkend dan het monster in M87, maar op een afstand van ‘slechts’ 25.600 lichtjaar van de aarde en de EHT bevindt hij zich in onze kosmische achtertuin.
Het ‘eigen’ zwarte gat van de Melkweg heeft een veel opvliegender temperament en vertoont tijdens het verzwelgen van materie uit de omgeving geregeld oprispingen, soms meerdere in de loop van één avond. Die schommelingen in activiteit vormen een van de redenen waarom het EHT-team meer tijd nodig heeft om een opname van SgrA* te maken.
“Vanuit het oogpunt van observaties stelt ons dat voor een hele hoop uitdagingen,” zegt Haggard. “Hoe kom je tot een stabiel beeld van iets dat voortdurend verandert?”
Het is een lastig karwei, maar de opname zit eraan te komen, en wel binnenkort. Met de vele observaties die al zijn gedaan, hebben astronomen nu veel meer inzicht in de kolkende raadsels die in het hart van sterrenstelsels huizen en enkele van de meest extreme fenomenen in het universum creëren.
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
