Video player inladen...

Astronomen leggen voor het eerst een zwart gat op beeld vast

Astronomen zijn er voor het eerst in geslaagd een beeld te vormen van een zwart gat. Dat hebben ze bekendgemaakt tijdens 6 simultane persconferenties overal ter wereld, waaronder 1 in Brussel. De astronomen gebruikten hiervoor de “Event Horizon Telescope” (EHT), een virtuele radiotelescoop zo groot als de aarde. Het gaat om een beeld van de fotonengordel rond de waarnemingshorizon van het zwarte gat in het sterrenstelsel M87, en van de schaduw van die horizon.

De astronomen van de EHT-samenwerking spaarden de superlatieven niet bij hun persconferentie, en stelden onverholen dat men zou spreken van "de tijd voor de foto, en de tijd na de foto". 

"We hebben de eerste foto van een zwart gat genomen", zei EHT-project-directeur Sheperd S. Doeleman. "Dit is een buitengewone wetenschappelijke prestatie die geleverd is door een team van meer dan 200 onderzoekers."

Bij de voorstelling van de foto kregen we eerst de jet te zien, die uit het zwarte gat in het centrum van het elliptische sterrenstelsel Messier 87 of M87 ver de ruimte in schiet, en vervolgens dan de foto zelf. Het gaat om een heldere ring, die bestaat uit fotonen die door de enorme zwaartekracht in een baan rond het gat gedwongen worden (zie verder voor meer uitleg), en dan een donkere vlek in het midden, de schaduw van de waarnemingshorizon van het zwarte gat. 

"Als het omgeven is door een helder gebied, zoals een schijf van gloeiend gas, verwachten we dat een zwart gat een donker gebied zal creëren dat lijkt op een schaduw, - iets dat voorspeld is door Einsteins algemene relativiteitstheorie, maar dat we nog nooit gezien hadden", zei EHT-medewerker Heino Falcke van de Nederlandse Radboud Universiteit. "Deze schaduw, veroorzaakt door de ombuiging door de zwaartekracht en het gevangen houden van licht door de waarnemingshorizon, onthult een heleboel over de aard van deze fascinerende objecten, en liet ons toe de enorme massa van het zwarte gat in M87 te berekenen."

De diameter van de fotonengordel is 100 miljard kilometer, het zwarte gat in M87 is echt een gigantisch monster, en dat blijkt ook uit de massa van het zwarte gat die men heeft kunnen berekenen uit de omvang van de fotonengordel. Het zwarte gat heeft een massa van 6,5 miljard keer de zonnemassa, berekeningen op andere manieren waren tot een massa van 6 miljard zonnemassa's gekomen. Dat is een gigantisch omvang, maar gezien de afstand waarop het zwarte gat zich van ons bevindt, komt een foto ervan nemen neer op het fotograferen van een mosterdzaadje in Washington DC vanuit Brussel, zo zeiden de astronomen. 

De schaduw van de waarnemingshorizon is groter dan de horizon zelf. Die is zo'n 2,5 keer kleiner en heeft volgens de astronomen een diameter van net geen 40 miljard kilometer.

Zoals verwacht is het zwarte gat zelf niet te zien, wel de schaduw waar al het licht verdwijnt. We kijken zo naar een gebied waarvan we ons maar moeilijk kunnen voorstellen dat het bestaat, zeiden de onderzoekers, de "poort van de hel", het "point of no return". En dat is echt wel een doorbraak. We hebben een mathematisch concept, de waarnemingshorizon, veranderd in een fysieke realiteit, iets dat herhaaldelijk gezien kan worden, aldus de EHT-onderzoekers.

Het zwarte gat voldoet aan de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, zelfs extreem goed, verrassend goed, zo werd gezegd, maar nader onderzoek is nog nodig om een aantal subtiele alternatieven voor de relativiteitstheorie uit te sluiten.  

De bevindingen van het EHT-team zijn vandaag gepubliceerd in een speciale uitgave van The Astrophysical Journal Letters, samen met een zogenoemde "Focus Issue".

(Lees verder onder de foto's)

De foto van bovenaan het artikel zonder het video-logo. Op de foto is de fotonengordel te zien die rond het centrum van het zwart gat cirkelt, en de schaduw van de waarnemingshorizon van het zwarte gat. Het gaat om een superzwaar, enorm zwart gat in het centrum van het elliptische sterrenstelsel M87. Event Horizon Telescope Collaboration
De waarnemingen van het zwarte gat in M87 op verschillende dagen.
Een beeld van de Hubble ruimtetelescoop van sterrenstelsel M87 en de jet van elektronen en geladen deeltjes die door het zwarte gat in het centrum wordt uitgestoten. NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Superzware zwarte gaten

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: stella). 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 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 hadden, 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 nu een beeld hebben kunnen maken.

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 met een snelheid die de lichtsnelheid benadert. De jets kunnen zich enorm ver in de ruimte uitstrekken.

In een zwart gat is materie in elkaar gevallen tot een punt van oneindige dichtheid, en de kromming van de ruimtetijd is er eveneens oneindig. Dit wordt de singulariteit genoemd.

"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 weggeslingerd 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 had.

Een voorstelling van het zwarte gat Cygnus X-1, dat materie wegzuigt van de nabijgelegen blauwe superreus, een grote ster. NASA/Chandra X-ray Observatory Center/M.Weiss

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 wilden 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 Hawaï in de VS, in Spanje en Frankrijk in Europa, in Chili en Mexico in Zuid-Amerika en op de Zuidpool.

Ze gebruikten een techniek die "very-long-baseline interferometry" genoemd wordt, die telescopen over de aardbol synchroniseert dankzij atoomklokken, en gebruikt maakt van de rotatie van de aarde om een virtuele telescoop te creëren 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 hij kan zien. De EHT kan waarnemingen verrichten met een golflengte van 1,3 millimeter.

"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. 

De 30 meter radiotelescoop van het IRAM in de Sierra Nevada in Spanje. IRAM heeft nog een tweede telescoop in de Franse Alpen die eveneens deelneemt aan het EHT-project. JuanJaén/Wikimedia Commons/CC BY-SA 2.0

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 uitgestoten 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 Messier 87 (M87) en heeft een massa die 1.500 keer groter is dan die van Sagittarius A* of 6 miljard zonnemassa's, zo werd geschat. 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 gingen ervan uit dat Sagittarius A* de beste resultaten zou opleveren, maar ze wisten wel dat een ding roet in het eten zou 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. Dat is bij het zwarte gat in M87 niet het geval, en het beeld is er uiteindelijk een geworden van het zwarte gat in M87.

Doorslaggevend was daarbij volgens de EHT-astronomen echter niet de lichtsmog, maar wel het feit dat de materie rond het zwarte gat in onze melkweg zeer snel beweegt, en in 20 minuten een baan beschrijft om haar as. Daarvan een foto nemen, is als een foto nemen van een kleuter die nooit stil zit, zo zeiden de astronomen. De materie rond het zwarte gat in M87 beweegt veel trager en draait in twee dagen om het gat heen. Daardoor is ze dus ook makkelijker te fotograferen. 

Het EHT-team had in april tien dagen de tijd om gegevens te verzamelen, en het had enorm geluk met het weer. Wolken en vochtigheid zouden de radiostraling die men wilde opvangen tegengehouden hebben, maar alle observatoria hadden mooi, open weer, en dus haalden de astronomen vele petabytes aan gegevens binnen, zo'n 350 terabytes per dag per telescoop, die opgeslagen werden op speciale harddisks.

Nadat het team al zijn data had verkregen, werden de disks naar zeer gespecialiseerd supercomputers gevlogen in het Max Planck Institute for Radio Astronomy en het MIT Haystack Observatory, om bij elkaar gebracht en gebundeld te worden. Vervolgens heeft het EHT-team er zijn beeldvormingsalgoritmen op losgelaten om de ruis er uit te filteren en de gaten in de gegevens op te vullen, en zo een beeld te krijgen van een zwart gat. Wat nu dus ook gelukt is. 

Astrofysici die niet betrokken zijn bij het EHT-project, vroegen zich vooral af of de waarnemingen zouden stroken met de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Voorlopig ziet het er naar uit dat dat inderdaad het geval is, dat de voorspellingen van de theorie verrassend goed kloppen zelfs. 

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, maar voorlopig ziet het daar dus niet naar uit.    

De volledige foto van bovenaan, een deel van onze melkweg met een uitvergroting van de röntgenstraling van Sagittarius-A*.

Een zwart gat, wat is dat eigenlijk? Bekijk hieronder de reportage van ons jeugdjournaal "Karrewiet":

Video player inladen...

Bekijk hieronder het verslag van "Het Journaal":

Video player inladen...

Wetenschapsjournalist Koen Wauters geeft meer uitleg over het eerste beeld van een zwart gat:

Video player inladen...