Je leest:

Tweede ronde voor de Event Horizon Telescope

Tweede ronde voor de Event Horizon Telescope

Wetenschappers maken het eerste plaatje van een zwart gat

Auteur: | 16 februari 2018

Afgelopen jaar deed de Event Horizon Telescope waarnemingen aan het zwarte gat Sagittarius A*. Het allereerste beeld van een zwart gat laat nog even op zich wachten. Komend voorjaar richten wetenschappers de schotelantennes opnieuw op het centrum van de Melkweg.

Sagittarius door chandra
Een gecombineerde opname van de omgeving van het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg in röntgenstraling (blauw) en infrarood (rood en geel).
NASA/UMass/Q.D.Wang et al./STScI

Te midden van de honderden miljarden sterren in de Melkweg huist een monster. In het centrum van ons sterrenstelsel bevindt zich naar alle waarschijnlijkheid een flink zwart gat dat vier miljoen keer zwaarder is dan de zon: Sagittarius A*. Ondanks de sterke aanwijzingen hebben we het nooit direct waargenomen. Met de Event Horizon Telescope (EHT) hopen astronomen een glimp op te vangen van het zwaarste object in de Melkweg.

Afgelopen april deed het collectief van radiotelescopen dat samen de EHT vormt de eerste metingen. De schotelantennes staan onder andere op Hawaï, Antarctica, in Spanje en de Verenigde Staten. Samen vormen ze een telescoop die zo groot is als de aarde, en het scherpste blikveld ooit heeft.

Na het verzamelen van de data belandden de betrokken wetenschappers van onder andere de Radboud Universiteit in een langdurige fase van het combineren en verwerken van de enorme hoeveelheid data. Dat leverde vooralsnog geen plaatje van het zwarte gat op. Dat verandert hopelijk komend voorjaar, met nieuwe metingen.

Het onzichtbare zichtbaar

Eerst even een stapje terug, want nu denk je: hóe zie je een zwart gat? Het ding is zo zwaar dat in theorie zelfs licht er niet meer uit komt. Per definitie onzichtbaar dus? Het tegendeel is waar. Een zwart gat slokt inderdaad alles – inclusief licht – op dat binnen de zogenoemde waarnemingshorizon komt. Voor Sagittarius A* ligt die op een afstand van ruim twaalf miljoen kilometer (acht procent van de afstand van de aarde naar de zon).

In een veel ruimere omgeving trekt het zwarte gat een grote hoeveelheid materie, zoals gaswolken, aan. Die materie draait er vervolgens in een razend tempo in een schijf omheen. Dit gebeurt allemaal buiten de waarnemingshorizon. Het samengedrukte en verhitte gas begint in een breed spectrum te stralen, van gammastraling tot radiostraling.

Simulated black hole
Simulatie van de foto die de Event Horizon Telescope zou kunnen maken van het zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel. Rond het zwarte gat draait een gloeiend hete schijf van invallend gas en stof. Vanwege de extreme kromming van de ruimte, zien we van deze schijf zowel de voor- als de achterkant. Het beeld is asymmetrisch, omdat de linkerhelft van die schijf met bijna de lichtsnelheid naar ons toe draait, de andere helft van ons af. Die beweging naar ons toe bundelt het licht in onze richting, zodat die helft veel helderder lijkt.

Trage logistiek

Wetenschappen willen met de EHT zo ver inzoomen als ze kunnen. Het zijn de gecombineerde gegevens van alle schotelantennes die de EHT zo’n krachtig instrument maken. Maar werken met zoveel antennes die zo ver uit elkaar staan, levert uitdagingen op. Neem de logistiek. Ondanks de metingen in het afgelopen voorjaar, arriveerden de laatste gegevens pas afgelopen december in de dataverwerkingscentra in het Duitse Bonn en het Amerikaanse Boston.

Dat heeft alles te maken met het trage transport rondom één van de meetstations, de South Pole Telescope midden op Antarctica. “Op Antarctica vlieg je alleen overdag, en de nacht duurt er helaas bijna een half jaar”, zegt Heino Falcke, die als medeoprichter en hoofd van de wetenschappelijke raad betrokken is bij het project.

De data versturen over het internet is geen optie volgens Falcke, zeker niet over de beperkte verbindingen die er met de zuidpool zijn. In de loop van zes dagen verzamelde ieder van de acht telescopen 500.000 gigabyte aan data. Een hoeveelheid waarbij fysieke opslag en transport loont. Alle metingen komen ter plekke op harde schijven te staan die vervolgens per post naar de verwerkingscentra gaan.

11411256764 7af7ec2f3b o
Verschillende observatoria op de zuidpool, waaronder de South Pole Telescope (links).

In Boston en Bonn zijn de gegevens gecorreleerd: samengevoegd op zo’n manier dat het lijkt dat ze zijn verzamelend door een schotel met de grootte van de twee verst uit elkaar liggende schotelantennes. Een wiskundige truc waarmee krachtige computers enkele weken zoet zijn. De kwaliteit van de uiteindelijke data hangt af van een hoop variabelen. “Het luistert nauw, de parameters die we instellen moeten de exacte locatie van de telescopen en de tijd waarop de data is opgenomen perfect weerspiegelen”, zegt Falcke. “Al met al is dit een lang proces, dat we meerdere keren doen. We hebben net de derde versie van de correlatie van de eerste gegevens, die alweer beter is dan de eerdere twee rondes.”

Ann17015a
Locaties van verschillende radiotelescopen die samen de Event Horizon Telescope vormen (in blauw). Vanaf dit jaar is ook een observatorium op Groenland onderdeel van de telescoop.

Wat volgens Falcke de klus extra lastig maakt is dat de EHT uit zoveel verschillende telescopen bestaat, die in compleet andere omgevingen opereren. “We hebben telescopen die bestaan uit één schotel, of juist uit een groot aantal schotels. Sommige telescopen zijn in de opbouwfase of worden uitgebreid, wat het systeem weer compleet verandert. Sommige telescopen opereren alleen ’s nachts, andere ook overdag, wat net als het weer invloed heeft op de metingen. Over de loop van de jaren houden we zelfs rekening met continentale drift, die de afstanden tussen de schotels met een paar centimeter per jaar verandert. In theorie kunnen we de dataverwerking binnen twee weken doen, maar in werkelijkheid duurt het maanden.”

Expres níet kijken

Dus, wat hebben Falcke en wereldwijd pakweg honderdvijftig samenwerkende wetenschappers nu gezien? Het is bijna niet te geloven, maar Falcke zegt dat ze expres nog niet naar Sagittarius A* hebben gekeken. “In de eerste ronde kijken we naar zogenoemde kalibratiebronnen aan de hemel, bijvoorbeeld sterke radiobronnen in andere sterrenstelsels (hoogstwaarschijnlijk ook zwarte gaten – red.)”, zegt Falcke.

“We willen eerst zeker weten dat we alles goed doen. In de volgende ronde in mei gaan we door met kalibreren en willen we een eerste poging doen een beeld van Sagittarius te krijgen. Wat de kwaliteit daarvan zal zijn is moeilijk in te schatten. Simulaties laten zien dat het radiosignaal iedere maand anders is. Het is erg lastig om met die beperkte informatie een goed beeld te vormen.”

Wat we straks gaan zien? Falcke houdt het op ‘een vlek hier, en een vlek daar’. Hij denkt dat er pas een duidelijker beeld ontstaat met metingen van verschillende jaren. “Hopelijk zien we dan echt een soort banaan-achtige structuur, veroorzaakt door lichtdeeltjes die het zwarte gat afbuigt. Bovendien is het zwarte gat als een schaduw zichtbaar”, zegt hij.

Messier 87 hubble wikisky
Sterrenstelsel M87 heeft in de kern een zwart gat met naar schatting een massa van zes miljard keer die van onze zon. Ook dit zwarte gat is wellicht zichtbaar met de Event Horizon Telescope.

Nog groter

Als alles goed gaat kan de EHT net scherp genoeg zien om een ruwe schaduw Sagittarius A* te ontwaren. Ook het zwarte gat in het hart van het sterrenstelsel Messier 87 is te zien. Die staat weliswaar verder weg maar is veel zwaarder. Het mag best een kunststukje heten als het lukt; de EHT probeert details te zien op de schaal van tientallen zogenoemde microarcseconden. Falcke vergelijkt het met het vanuit Nederland waarnemen van een mosterdzaadje in New York.

De betrokken astronomen denken nu al over het verbeteren van de EHT. Het voordeel is dat je makkelijk meer schotels aan het netwerk kan koppelen. De enige voorwaarde is dat ze tegelijkertijd het zwarte gat kunnen zien. Graag zou Falcke nog een telescoop in het hart van Afrika hebben, een locatie met (meestal) een uitstekend zicht op het Melkwegcentrum. “We proberen daar nu een ongebruikte radiotelescoop naartoe te krijgen vanuit Chili”, zegt Falcke. “Daarmee kunnen we het maximaal aantal telescopen waarmee je tegelijk metingen doet opkrikken van vijf naar zes. Dat maakt een enorm verschil.”

Nog later zou Falcke de telescoop graag uitbreiden tot buiten de aarde. “Met maar twee antennes op grote afstand van elkaar in de ruimte is een veel scherper beeld mogelijk”, zegt hij. “Ook kunnen we dan naar een iets hogere radiofrequentie, die de aardatmosfeer tegenhoudt. Dan moeten we echt een scherp plaatje kunnen schieten.”

Waarnemingshorizon

Waarom we eigenlijk zo’n foto proberen te maken? In ieder geval niet (alleen) voor de posters boven onze bedden. Zwarte gaten zijn in veel opzichten de meest ‘extreme’ objecten in het universum: zwaar, omgeven door een sterk gekromde ruimtetijd en hete materie die er met bijna de lichtsnelheid omheen raast. In die zin een perfect laboratorium om de natuurwetten aan de tand te voelen.

Zwart gat jets
Impressie van de ‘jets’ (stralen) van een zwart gat, die aan twee kanten grote hoeveelheden materie uitspuwen. De sterke zwaartekracht rondom het zwarte gat vervormt het beeld.
Bronzwaer, T./Moscibrodzka, M./Falcke, H. met toestemming

“Er zijn verschillende theorieën over de verspreiding van materie rondom een zwart gat. En het is niet duidelijk hoe het wordt verhit en op welke plek het straling uitzendt”, zegt Falcke. “Gebeurt dat wanneer materie in het zwarte gat valt, of als het op de valreep toch naar buiten wordt geslingerd in een van de jets? Dat overkomt een paar procent van de invallende materie.”

Ook testen de wetenschappers Einsteins relativiteitstheorieën. Iets dat de afgelopen honderd jaar al veelvuldig is gedaan, en altijd bleven de theorieën overeind. Maar juist in de extreme omstandigheden in de buurt van een zwart gat kan de hegemonie van Einstein eindigen. “Als er afwijkingen van de relativiteitstheorie zijn, dan is de vraag op welke schaal we ze aantreffen. Gebeurt dat op de schaal van het zwarte gat, of slechts op een enorm kleine afstand? In dat laatste geval zullen we het waarschijnlijk nooit waarnemen”, zegt Falcke.

“Het liefst zien we natuurlijk iets spannends, iets totaal onverwacht”, zegt Falcke. “Maar ik heb veel vertrouwen in de bestaande theorieën. De schaduw van het zwarte gat en de eerder genoemde ‘banaan’ eromheen moeten er zijn, anders hebben we een probleem.”

Bewegingen van sterren in de buurt van het zwarte gat Sagittarius A* in het centrum van de Melkweg. Door de bewegingen over de loop van jaren te volgen is het mogelijk een inschatting te maken van het gewicht van het (op deze opname onzichtbare) zwarte gat.
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 16 februari 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.