Krijgen we straks de eerste foto van een zwart gat te zien?

10 april 2019
radiotelescoop
Zijn astronomen erin geslaagd met een virtuele radiotelescoop zo groot als de aarde een beeld te vormen van een zwart gat ?

Er bestaan verschillende soorten zwarte gaten, waarvan de belangrijkste stellaire en superzware zwarte gaten zijn. Stellaire zwarte gaten, zijn, zoals hun naam al zegt, ontstaan uit een ster (Latijn: stellum). Meer bepaald uit een zware ster, die op het einde van haar leven, als haar "brandstof" is opgeraakt, een hyper- of supernova is geworden. Daarbij is de kern dan in elkaar geklapt tot een zwart gat. Stellaire zwarte gaten hebben een massa van 5 tot 100 keer de massa van onze zon.

De categorie waar het nu om gaat, waar de astronomen van de Event Horizon Telescope hun telescoop op gericht hebben, zijn superzware zwarte gaten. Die hebben een massa van minstens 5.000 keer de zonnemassa tot vele miljoenen keer de massa van de zon. Ze worden gevonden in het centrum van sterrenstelsels.

In het centrum van een zwart gat bevindt zich de zogenoemde singulariteit, een punt zonder dimensies met een oneindige dichtheid en een oneindig klein volume. De zwaartekracht is hier zo sterk dat de ruimtetijd oneindig gekromd is.

Op enige afstand van de singulariteit ligt de waarnemingshorizon, de "event horizon", waaruit niets kan ontsnappen zodat men ook niet kan waarnemen wat er zich achter afspeelt. De waarnemingshorizon vormt inderdaad het "point of no return", alles wat er voorbij wordt gezogen door de zwaartekracht, kan er niet meer uit ontsnappen, zelfs licht niet. Vandaar dat een zwart gat zwart is, het zendt geen enkele vorm van elektromagnetische straling uit, en ook geen licht dus.

Net boven de waarnemingshorizon is er echter wel iets te zien. Daar ligt namelijk een fotonengordel (photon sphere). Fotonen of lichtdeeltjes bewegen zich normaal voort in een rechte lijn, maar hier is de zwaartekracht zo groot dat hun baan wordt omgebogen, en de fotonen uit het hete plasma in de buurt een heldere ring vormen rond een ruwweg cirkelvormige "schaduw". Het zijn die ring en die schaduw waarvan de astronomen van de EHT een beeld hopen te krijgen.

Nog verder ligt er rond een zwart gat een accretieschijf (aangroeischijf), een superverhitte schijf van gas, plasma en stof. Die draait zeer snel rond het zwarte gat, maar de materie aan de binnenkant draait sneller rond dan de materie die verderaf ligt. Dat geeft wrijving en die veroorzaakt elektromagnetische straling, zowel röntgenstraling, als visuele (licht), infrarode en radiostraling.

Tot slot kunnen zwarte gaten ook nog jets (fonteinen) uitstoten aan hun beide polen. Als een zwart gat een nabijgelegen ster "opeet", of andere materie opneemt, stoot het jets van materie en straling uit aan een snelheid die de lichtsnelheid benadert. De jets kunnen zich enorm ver in de ruimte uitstrekken.

"Donkere sterren"

Op het einde van de 18e eeuw begonnen astronomen voor het eerst te speculeren over "donkere sterren", theoretische objecten met zo'n gigantische massa dat de ontsnappingssnelheid ervan groter zou zijn dan de lichtsnelheid.

Pas in de 20e eeuw kwam er ook een theoretische onderbouwing voor dergelijke objecten, met de speciale en de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, en in 1967 bedacht de Amerikaanse natuurkundige John Archibald Wheeler de benaming "zwart gat".

Eveneens meer dan 50 jaar geleden kregen astronomen in de gaten dat er in het centrum van ons Melkwegstelsel zich een bijzonder helder object bevond. Het had een enorme zwaartekracht, zo sterk dat sterren er zeer snel een baan rond beschreven in slechts 20 jaar, zonder dat ze weg geslingerd werden door de middelpuntvliedende kracht. Ter vergelijking: ons zonnestelsel doet zo'n 230 miljoen jaar over een baan rond het centrum van de melkweg.

Gaandeweg begonnen de astronomen te denken dat het heldere object, en soortgelijke objecten in het centrum van andere sterrenstelsels, zwarte gaten waren, die omringd werden door rondwervelende schijven van witheet gas en plasma, de zogenoemde accretieschijven, die verantwoordelijk zijn voor de helderheid van de objecten.

En het zwart gat in het centrum van de melkweg is nu een van de twee waarop de Event Horizon Telescope zijn blikken gericht heeft.

Een virtuele telescoop zo groot als de aarde

Het probleem met zwarte gaten is dat we ze niet direct kunnen waarnemen, ze stoten immers geen straling uit. We kunnen wel de straling waarnemen die de accretieschijf uitstoot, en de jets, maar voor de rest moeten we het bestaan van zwarte gaten afleiden uit de invloed die hun zwaartekracht uitoefent op objecten in de omgeving of net ver weg.

Als astronomen een ster of een dubbelster waarnemen die een baan beschrijft rond een onzichtbaar object, kunnen ze daaruit afleiden dat het om een zwart gat gaat, en ze kunnen zelfs de massa daarvan berekenen. Verder werkt een zwart gat ook als een zwaartekrachtlens, die het licht van verafgelegen heldere objecten afbuigt, en zo kan men ook zwarte gaten vinden.

Maar nu willen de astronomen dus verder gaan, en een duidelijker beeld krijgen. Daarvoor hebben ze acht radiotelescopen over heel de wereld met elkaar gecombineerd, telescopen in Arizona en Hawaiï in de VS, in Spznje en Frankrijk in Europa, in Chile en Mexico in Zuid-Amerika en op de Zuidpool.

Zo hebben ze een virtuele telescoop verkregen zo groot als de aarde, met een diameter of middellijn van zo'n 10.000 kilometer. En dat is belangrijk, want hoe groter een telescoop, hoe meer details hoe kan zien. 

"In plaats van een gigantische telescoop te bouwen, die het risico zou lopen in te storten onder zijn eigen gewicht, hebben we verschillende observatoria gecombineerd alsof ze stukjes waren van een gigantische spiegel", zei astronoom Michael Bremer aan het persbureau AFP. Bremer werkt bij het Institut de radio astronomie millimétrique (IRAM) en is verantwoordelijk voor de Europese waarnemingen van de EHT.

Sagittarius A* en sterrenstelsel M87

In april 2017 richtten de EHT-astronomen hun virtuele reuzentelescoop op twee zwarte gaten in zeer verschillende plaatsen van het heelal om data te verzamelen.

Het ene zwarte gat is Sagittarius A*, het zwarte gat in het centrum van onze melkweg. Dat heeft een massa van zo'n 4 miljoen zonnemassa's, en het ligt op 26.000 lichtjaar, 245 biljoen kilometer, van ons.

Voor astronomen is dat een groot doelwit dat dichtbij ligt, maar toch komt het overeen met een foto maken van een golfballetje op de maan. Gelukkig is de EHT in staat om golfjes op te vangen die uitgestoot worden door de omgeving van het zwart gat, van nauwelijks een millimeter groot.

Het andere zwarte gat is een echt monster, een van de grootste die we kennen. Het ligt in het elliptische sterrenstelsel M87 en heeft een massa die 1.500 keer groter is dan die van Sagittarius A* of 6 miljard zonnemassa's. Het ligt wel zo'n 2.000 keer verder dan Sagittarius A*, op zo'n 50 miljoen lichtjaar van de aarde. Het feit dat het groter is, compenseert de grotere afstand wel, zodat het ongeveer even makkelijk (of moeilijk) te vinden is.

De meeste astronomen gaan ervan uit dat Sagittarius A* de beste resultaten zal opleveren, maar een ding zou roet in het eten kunnen gooien: lichtsmog. We bevinden ons immers in het vlak van de melkweg, en moeten dus door al de sterren en het stof in de melkweg heen kijken om het centrum te kunnen zien. En dat is bij het zwarte gat in M87 niet het geval.

Intussen heeft het team al zijn data, maar die moesten nog verzameld en gebundeld worden. Vervolgens heeft het EHT-team er zijn beeldvormingsalgoritmen op losgelaten om de gaten in de gegevens op te vullen, en zo een beeld te krijgen van een zwart gat. Wat nu dus blijkbaar gelukt is.

Astrofysici die niet betrokken zijn bij het EHT-project, vragen zich vooral af of de waarnemingen zullen stroken met de algemene relativiteitstheorie van Einstein.

In 2015 werden voor het eerst zwaartekrachtgolven waargenomen die het gevolg waren van twee zwarte gaten die met elkaar botsten en versmolten, en dat was precies wat de relativiteitstheorie voorspeld had dat er zou gebeuren. De samensmelting stuurde rimpels door de ruimtetijd, en de waarneming daarvan leverde de ontdekkers een Nobelprijs op.

Maar dat waren kleine zwarte gaten, slechts zo'n 60 keer zwaarder dan de zon, en dus veel kleiner dan de twee die nu het doelwit waren. En mogelijk gedragen die zware reuzen zich anders, voorlopig weten we dat nog niet.

Beluister het gesprek met wetenschapsjournalist Koen Wauters:

Bron: vrtnws.be en 'De Ochtend'

Radio 1 Select