Ruimte

Hoe de allereerste opname van een zwart gat werd gemaakt

Door een telescoop ter grootte van de Aarde te creëren hebben astronomen dit bizarre fenomeen voor het eerst kunnen waarnemen. vrijdag, 12 april 2019

Door Nadia Drake

Op ruim vijftig miljoen lichtjaar van de aarde, in het hart van het reusachtige elliptische sterrenstelsel Messier 87, is een monsterachtig object bezig met het verslinden van alles wat te dicht in zijn buurt komt. Sterren, planeten, gas, stof en zelfs licht kan niet aan de greep van dit gevaarte ontsnappen wanneer ze eenmaal een grens zijn gepasseerd die de ‘waarnemingshorizon’ wordt genoemd.

Deze week onthulden wetenschappers de eerste opname van zo’n bizar object, een superzwaar zwart gat met een massa van zesenhalf miljard zonnen. In de baanbrekende opname is een ronde leegte binnen een asymmetrische ring van licht te zien. Het is de eerste waarneming van het silhouet van een zwart gat, waarbij astronomen de onontkoombare grens van zo’n object dichter dan ooit zijn genaderd.

De nieuwe opname is het verbluffende resultaat van het project Event Horizon Telescope (EHT), een wereldwijd samenwerkingsverband van ruim tweehonderd wetenschappers die werkten met een netwerk van telescopen dat zich uitstrekte van Hawaï tot de Zuidpool. Tezamen functioneerden de schotelantennes van het stelsel als één grote telescoop met de omvang van de Aarde. Bij het bestuderen van het zwarte gat in M87, gedurende april 2017, werden meerdere petabytes aan gegevens verzameld. Daarna hadden de onderzoekers nog twee jaar nodig om uit de gegevens een afbeelding te destilleren.

Tot nu toe was er alleen indirect bewijs voor het bestaan van zwarte gaten, bijvoorbeeld door te kijken naar sterren die in een omloopbaan rond deze monsters lijken te draaien, door het waarnemen van straling die wordt afgegeven wanneer extreem hete materie rond een zwart gat tolt en naar binnen wordt getrokken of door het bestuderen van extreem energierijke straalstromen (jets) van deeltjes die vanuit de directe omgeving van een zwart gat worden uitgestoten.

“We bestuderen zwarte gaten al zó lang dat we soms vergeten dat niemand van ons zo’n ding ooit heeft waargenomen,” zei France Cordova, directeur van de National Science Foundation gisteren tijdens de persconferentie waarop de prestatie van het Event Horizon-team bekend werd gemaakt, in de National Press Club in Washington DC.

“Het verheugt ons zeer te kunnen melden dat we iets hebben gezien waarvan we dachten dat het onzichtbaar was,” zei projectleider Shep Doeleman van het Harvard-Smithsonian Institute for Astrophysics. “Wat u hier ziet, is bewijs voor het bestaan van een waarnemingshorizon (...). We hebben nu zichtbaar bewijs voor het bestaan van zwarte gaten.”

De baanbrekende astronomische observatie wordt beschreven in zes afzonderlijke artikelen in het tijdschrift Astrophysical Journal Letters, waarin nader wordt ingegaan op het observatieproces en de details die in de opname zijn te zien. Een van de belangrijkste wetenschappelijke resultaten van de opname is het feit dat de massa van het zwarte gat nu nauwkeuriger kan worden berekend. De nieuwe schatting sluit goed aan op eerdere schattingen op basis van de omloopbanen van sterren rond zwarte gaten. Ook bieden de nieuwe gegevens meer inzicht in de reusachtige straalstromen die door superzware zwarte gaten worden uitgeblazen en waarin deeltjes tot bijna de lichtsnelheid worden aangejaagd.

“Het is echt buitengewoon en het stemt in zekere zin tot bescheidenheid,” zegt Doeleman. “De natuur heeft ervoor gezorgd dat wij iets kunnen waarnemen waarvan we tot nu toe dachten dat het niet-waarneembaar was.”

Als een sinaasappel op de maan

Oorspronkelijk was de Event Horizon Telescope bedoeld om een opname te maken van het superzware zwarte gat in het centrum van ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg. Dat zwarte gat, met de naam Sagittarius A*, is vergeleken met dat in M87 relatief schriel, met een massa van ‘slechts’ vier miljoen zonnen. Maar omdat het zwarte gat in M87 een van de dichtstbijzijnde en grootste is, besloot het team om de telescoop ook op dit object te richten, in de hoop om de twee gevaarten met elkaar te kunnen vergelijken.

Maar een blik in het hart van de Melkweg bleek iets gecompliceerder te zijn dan het rechtstreeks bekijken van een zwart gat in de eerstvolgende cluster van sterrenstelsels, vandaar dat het portret van het zwarte gat in M87 nu de primeur heeft.

In plaats van één enkele opname, zoals de vele spectaculaire foto’s die door de ruimtetelescoop Hubble zijn gemaakt, is de afbeelding die door de EHT is geproduceerd het resultaat van een proces genaamd interferometrie, waarbij observaties van meerdere telescopen worden gecombineerd tot één opname. Als afzonderlijke antenneschotels tegelijkertijd op hetzelfde object worden gericht, kunnen wetenschappers die waarnemingen samenvoegen en het object ‘bekijken’ alsof ze één reusachtige schotelantenne gebruiken met een doorsnede die overeenkomt met de afstand tussen die telescopen.

Om deze superzware zwarte gaten (die in doorsnede minuscuul zijn vergeleken met de sterrenstelsels waardoor ze worden omringd) in hoge resolutie te kunnen observeren, moest het samenwerkingsverband de kracht van telescopen in de hele wereld combineren. Uiteindelijk werden zes schotelantennes – in Mexico, Hawaï, de VS, Chili en Spanje – op het centrum van M87 gericht, waar zich het grootste zwarte gat binnen de Virgocluster bevindt. Het netwerk functioneerde als één reusachtige telescoop, die objecten kon waarnemen met slechts een duizendste van de schijnbare doorsnede die door de Hubble-telescoop kan worden onderscheiden.

“Wat we in beeld proberen te brengen is iets heel erg kleins aan de nachthemel,” zegt Katie Bouman van Caltech, die deel uitmaakt van het beeldbewerkingsteam van de EHT. “Je hebt het dan over een omvang die je kunt vergelijken met het maken van een foto van een sinaasappel op de maan.”

Gedurende meerdere dagen observeerde het team M87 in korte radiogolven, omdat radiogolven door de troebele nevels van stof en gas kunnen kijken die rond het centrum van sterrenstelsel wervelen. Gedurende die observatiesessie – waarin ook andere doelwitten dan M87 werden bekeken – verzamelde het team zóveel gegevens (zo’n vijf petabytes, oftewel vijf miljard MB) dat ze niet digitaal verstuurd konden worden, maar dat de harde schijven zelf op transport gezet moesten worden.

“Vijf petabytes is heel veel data,” zegt teamlid Dan Marrone van de University of Arizona. “Het is te vergelijken met vijfduizend jaar aan mp3-bestanden of – volgens een studie die ik heb gelezen – alle selfies die 40.000 mensen gedurende hun hele leven maken.”

Omdat het samenvoegen van observaties door verschillende telescopen geen eenvoudige taak is, begonnen vier teams onafhankelijk van elkaar aan het verwerken van de gegevens, waarbij ze verschillende algoritmen toepasten en de resultaten in meerdere modellen uittestten. Uiteindelijk sloten de beelden die door de diverse teams werden geproduceerd steeds beter op elkaar aan, waaruit bleek dat de observaties correct waren en dat de uiteindelijke opname de meest accurate waarneming is. Om absoluut zeker te zijn van de resultaten, voerde het team in de jaren voorafgaande aan de publicatie ook simulaties uit, en de beelden die daarbij ontstonden, waren bijna niet te onderscheiden van de uiteindelijke opname.

“De opname leek bijna griezelig veel op het beeld dat we hadden voorspeld,” zegt Sera Markoff van de Universiteit van Amsterdam. “Ik haalde die opname op vreemde uren van de dag op m’n telefoon tevoorschijn en bleef ernaar kijken...”

Het team wil nu snel beginnen aan de presentatie van een opname van het superzware zwarte gat dat zich het dichtstbij de Aarde bevindt, maar het feit dat Sagittarius A* relatief in de buurt is, is nog geen reden om te denken dat de foto ervan veel scherper zal zijn dan de opname die deze week werd gepresenteerd.

“M87 staat ongeveer tweeduizend keer zo ver van de aarde vandaan, maar het zwarte gat daar is ook zo’n tweeduizend keer groter,” zegt Lord Martin Rees van de University of Cambridge, ‘Astronomer Royal’ van Groot-Brittannië. “Aan de nachthemel hebben ze dus dezelfde schijnbare doorsnede.”

6,5 miljard stralende zonnen

Nu de wetenschappers deze opname eenmaal hebben gemaakt, kunnen ze beginnen aan het bestuderen van enkele van de grote mysteries achter de fysieke aard van zwarte gaten, waaronder het onderbouwen van de theoretische uitgangspunten.

“Wat we graag uit deze observaties willen halen, is een antwoord op de vraag of de eigenschappen van deze zwarte gaten echt overeenkomen met wat Einstein erover heeft gezegd,” zegt Rees.

Tot dusver lijkt het erop dat Einstein gelijk had – zo ongeveer. Hoewel de beroemde natuurkundige zelf twijfelde aan het bestaan van zwarte gaten, kon op basis van de algemene relativiteitstheorie die hij in 1915 voorstelde, worden voorspeld dat zwarte gaten – áls ze zouden bestaan – ronde objecten moesten zijn en zouden lijken op een donkere schaduw met een ring van licht eromheen.

De opname van het zwarte gat in M87 komt overeen met die voorspelling, hoewel de ring van licht wat onregelmatig is, waardoor het object op een slecht gebakken donut lijkt. Maar ook dat was te verwachten. De materie die rond het zwarte gat tolt, vormt daarbij een gloeiende accretieschijf en omdat een deel van die schijf onze kant op beweegt, is dat gedeelte van de lichtring helderder.

“Het hele geval beweegt, dus sommige delen verplaatsen zich in onze richting – iets wat ze in Interstellarverkeerd deden!” zegt Markoff, verwijzend naar de dramatische uitbeelding van een superzwaar zwart gat in de film uit 2014. “Het heeft iets heel confronterends als je deze opname ziet en beseft dat je naar een afvoerput van de ruimtetijd kijkt,” zegt zij.

Op basis van de waarnemingshorizon van het zwarte gat in M87 kon het team ook berekenen dat het object een massa van ongeveer zesenhalf miljard zonnen had, waarmee het duidelijk binnen de indirecte schattingen viel die waren afgeleid uit de verplaatsing van sterren die in een omloopbaan rond het zwarte gat draaien. Problematisch is echter dat deze schatting hoger is dan uit de rondtollende schijf van gas kan worden afgeleid, een relatief eenvoudige berekening die vaak wordt gebruikt om de massa van een zwart gat te meten. Maar als die methode niet accuraat blijkt te zijn, zullen wetenschappers moeten verklaren waarom dat zo is.

“We schalen het aantal sterrenstelsels op dat we op basis van hun gasdynamiek kunnen meten, dus is het misschien een goed moment om die techniek eens goed te kalibreren,” zegt astrofysicus Jenny Greene van de Princeton University.

Hoewel de nieuwe gegevens helpen bij het vaststellen van de massa van het zwarte gat in M87, is het voor het team lastiger om aan te geven tot hoever de waarnemingshorizon van dit object zich uitstrekt. Zoals schaduwen of silhouetten vaak vage grenzen hebben, zo heeft ook de zwarte leegte in de opname een schimmige rand. De precieze diameter van het zwarte gat berust op een aantal variabelen die nog niet bekend zijn, zoals de rotatiesnelheid en de exacte oriëntatie van het zwarte gat in de ruimte.

Als zo’n zwart gat in ons zonnestelsel zou belanden, zou zijn waarnemingshorizon zich tot ver voorbij de omloopbaan van Pluto uitstrekken, wellicht tot meer dan 120-maal de afstand tussen de aarde en de zon.

Vreemd genoeg betekent dit dat je de waarnemingshorizon van het zwarte gat in M87 zou kunnen passeren zonder ook maar iets te merken. Dit zwarte gat is zó groot dat de ruimtetijd op dat punt amper zou zijn verbogen. De enorme zwaartekracht van het zwarte gat zou even hard aan je hoofd als aan je tenen trekken. Maar naarmate je het zwarte gat dichter zou naderen, zou de buiging van de ruimtetijd sterker worden en je uiteindelijk in verticale spaghettislierten uit elkaar worden getrokken. (Dat zou je zeker merken, en het zou ver vóór dat moment ook al heel onaangenaam worden.)

Straalstromen

Niemand weet precies wat zich in het hart van een zwart gat bevindt, en óf zich daar überhaupt iets bevindt. Deze kern wordt opgevat als een singulariteit, een punt dat wordt omringd door extreem verbogen en exotische ruimtetijd waaruit niets kan ontsnappen.

De nieuwe opname kan astronomen helpen bij het vergaren van meer inzicht in de buitenzijde van het zwarte gat in M87, vooral in de straalstromen of ‘jets’ van extreem energierijke deeltjes die daar met bijna de lichtsnelheid worden uitgezonden. De zichtbare straalstroom van het zwarte gat in M87 strekt zich over een afstand van 4900 lichtjaar uit en is een van de meer in het oog springende spektakels van ons lokale universum.

Een zwart gat dat materie de ruimte in blaast – dat klinkt misschien wat paradoxaal, want over het algemeen staan zwarte gaten erom bekend dat ze materie juist aantrekken. Maar dat is een van de verbijsterende aspecten van deze vreemde objecten.

“Het lijkt erop dat ze net zo goed zijn in het uitstoten van materie – jets, winden en andere wegschietende deeltjes – dan in het opslokken ervan,” zegt Daryl Haggard van de McGill University. Volgens hem hebben wetenschappers nog geen duidelijk beeld van de manier waarop zwarte gaten deze straalstromen uitzenden.

Het bestuderen van het grensvlak tussen licht, materie en waarnemingshorizon van het zwarte gat in M87 kan bijdragen aan ons inzicht in dit raadselachtige proces. Al eerder hadden talloze observatoriums hun antennes op dit zwarte gat gericht om de motor achter deze straalstroom te vinden, waarbij het object in alle golflengten van het elektromagnetische spectrum werd bestudeerd.

Deze jets lijken uit te gaan van de accretieschijf van hete materie rond de waarnemingshorizon, vanuit een regio die de ‘ergosfeer’ wordt genoemd. Volgens Markoff tolt de ruimtetijd hier voortdurend rond en is het een omgeving die wordt gekenmerkt door extreem krachtige magnetische veldlijnen, gassen die tot miljoenen graden worden verhit en deeltjes die met bijna ongekende snelheid worden weggeschoten. Op microscopische schaal zorgen de wisselwerkingen tussen al deze elementen voor de enorme kracht die deze straalstromen aandrijft.

Door de relatief actieve straalstroom van het zwarte gat in M87 te vergelijken met de verwachte opname van het slapende zwarte gat in het centrum van onze eigen Melkweg, krijgen we volgens Markoff “meer inzicht in de soms groeiende en dan weer afnemende invloed van zwarte gaten in de lange geschiedenis van het universum.”

Noot van de redactie: dit artikel is geactualiseerd door de toevoeging van citaten van Sera Markoff en Dan Marrone. Het artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com