Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

Eerste foto zwart gat ontrafeld

Onderwerp: Astrofysica, Licht, Relativiteitstheorie (vwo), Sterrenkunde

Begrippen: Zwaartekracht, Elektron, Middelpuntzoekende kracht

Nieuwsgierigheid was voor professor Heino Falcke de drijfveer om een foto van een zwart gat te maken. Hij had veel gerekend aan een model van een zwart gat, maar wilde het ook echt kunnen zien. Dat is nu gelukt, de foto is er. Maar wat zie je en hoe kwam de foto er?

Het nieuws ging de hele wereld over: onderzoekers hebben de eerste foto gemaakt van een zwart gat! Einsteins theorie klopt. Bijzonder nieuws, dat ook aan de Radboud Universiteit in Nijmegen met gepaste trots gemeld werd. Heino Falcke, hoogleraar aan deze universiteit, stond namelijk aan de wieg van het idee om deze foto te maken. Het was een lange weg om tot de foto te komen, want met een idee alleen ben je er nog lang niet. Alleen al het zoeken naar financiering en het opzetten van internationale samenwerking kostte heel veel tijd. Ook het samenstellen van de uiteindelijke foto, een afbeelding die is opgebouwd uit heel veel data afkomstig van acht verschillende telescopen, was een hele klus. Maar nu is het dan gelukt!

Figuur 1: Animatie waarin vanuit de ALMA telescoop in Chili wordt ingezoomd in de ruimte tot de foto van het zwarte gat verschijnt. Video: YouTube ESO/L. Calçada, Digitized Sky Survey 2, ESA/Hubble, RadioAstron, De Gasperin et al., Kim et al., EHT Collaboration. Music: Niklas Falcke.

Zwart gat

Wat is een zwart gat eigenlijk? Zwarte gaten zijn de meest extreme objecten in het heelal. Het zit zo: elk hemellichaam oefent een zwaartekracht uit op zijn omgeving, net zoals wij hier op aarde zwaartekracht ondervinden. Het kost veel moeite om aan deze zwaartekracht te ontsnappen. Bij de aarde is een snelheid van 11,2 km per seconde nodig om hieraan te ontsnappen. Naarmate de massa en de dichtheid van een hemellichaam groter zijn, is deze ontsnappingssnelheid groter. Bij een zwart gat is er zo veel massa, zo dicht op elkaar dat zelfs licht, met een snelheid van bijna 300.000 km/s hieruit niet meer kan ontsnappen. Einstein stelde in zijn algemene relativiteitstheorie dat niets in de natuur een grotere snelheid kan hebben dan de snelheid van het licht. Dat zou dus betekenen dat niets, maar dan ook niets uit een zwart gat kan ontsnappen. 

Waarnemingshorizon

Materie die nog ver genoeg van het zwarte gat af is, kan nog om het zwarte gat heen bewegen, maar er komt een punt waar de invloed van de zwaartekracht zo groot is, dat alles wat voorbij die grens komt verdwijnt in het zwarte gat. Deze grens noem je de waarnemingshorizon, in het Engels de ‘event horizon’. Dit is precies het gebied waar Heino Falcke en zijn onderzoekers naar gekeken hebben met de ‘Event Horizon Telescope’ (EHT). 

Plasma

In het gebied buiten de waarnemingshorizon is gas aanwezig, dat om het zwarte gat heen beweegt. Dit gas is zo heet, dat het een plasma vormt van geladen deeltjes. Gas in de ruimte bevat vaak ook magneetvelden. Deze magneetvelden worden in de buurt van zwarte gaten gecomprimeerd (samengeperst) en versterkt door de grote snelheid en dichtheid van de geladen deeltjes in het plasma. Dit noem je het dynamo-effect. De magnetische veldlijnen krommen om de waarnemingshorizon heen. Een deel van het gas beweegt zich langs deze magnetische veldlijnen, waardoor het gas versneld wordt, en ziet zo kans om niet in het zwarte gat te vallen. Dit gas wervelt als een soort lasso om de waarnemingshorizon heen. Omdat de elektronen in het plasma met hoge snelheid langs deze gekromde magnetische veldlijnen moeten bewegen – door de Lorentzkracht die op de elektronen werkt – worden ze afgebogen en zenden ze straling uit.

Foto zwart gat

Wat zie je nu op de foto van het zwarte gat?

Foto zwart gat

Figuur 2: Eerste foto van een zwart gat. Foto: EHT Collaboration.

In het midden van de foto zie je de schaduw van het zwarte gat, het gedeelte waar licht afgebogen wordt en in de waarnemingshorizon verdwijnt. Daaromheen zie je een ring van radiostraling uitgezonden door het plasma dat om het zwarte gat wervelt. Aan de onderkant is de ring wat feller, waardoor het lijkt alsof hier meer straling wordt uitgezonden dan aan de bovenkant. Dit komt omdat het gas aan deze kant met bijna de snelheid van het licht naar de waarnemer toe beweegt, waardoor de straling van het plasma versterkt wordt. Aan de andere kant, waar de ring minder fel is, beweegt het gas juist van de waarnemer af en lijkt het zwakker.

Zichtbaar bewijs

De oranje-gele kleur die je ziet op de foto is zo gekozen, omdat we deze kleur associëren met hitte. Aangezien de straling die we zien radiostraling is, die afkomstig is van het hete plasma dat om het zwarte gat beweegt, is dit een logische keuze. De foto van het zwarte gat is bijzonder, want hoewel de foto nog niet heel scherp is, hebben we hiermee voor het eerst een zichtbaar bewijs van het bestaan van zwarte gaten.

Lenswerking

Professor Falcke speelde tijdens zijn promotie al met het idee dat hij graag de straling rond een zwart gat zou willen waarnemen met een mondiale telescoop. Hij dacht echter dat zwarte gaten net iets te ver weg en te klein zouden zijn om waar te nemen – of de aarde een beetje te klein. Immers, hoe groter een telescoop, hoe scherper het beeld. Totdat hij een boek tegenkwam waarin gesproken werd over de lenswerking van een zwart gat, waardoor ze zichzelf een beetje vergroten. Hij realiseerde zich dat er misschien toch een kans bestond dat je een zwart gat vanaf de aarde zou kunnen waarnemen met telescopen. Vol energie ging hij met zijn idee aan de slag.

Lichtafbuiging zwarte gaten 
Einstein voorspelde al dat massa de ruimte kromt. Je zou het kunnen vergelijken met een spandoek waar je een zware bowlingbal in legt. Er vormt zich dan een diepe trechter. Als je hier nu een knikker langs zou willen laten bewegen, dan kan die er nooit in een rechte lijn langs, maar moet die via het gekromde oppervlak. Zo is het ook met licht dat langs een gekromde ruimte gaat. Het licht wordt dan afgebogen, net als bij een lens. Door deze afbuiging van het licht werkt het zwarte gat dus als een soort lens en lijkt het zwarte gat groter dan het feitelijk is.

Lenswerking zwart gat

Figuur 3: Simulatie van lenswerking bij zwart gat. Simulatie: Wikipedia.

Zwart gat M87*

De zwarte gaten die in aanmerking kwamen om te bekijken waren de M87*, een zeer zwaar zwart gat (ter grootte van ons zonnestelsel) in het centrum van Messier 87, een zwaar sterrenstelsel in de Virgocluster en Sagittarius A* een zwart gat dat dichterbij zit, in het centrum van ons eigen melkwegstelsel, maar dat lichter is.

Grootte zwart gat M87

Figuur 4: Vergelijking van de grootte het zwarte gat M87* met ons zonnestelsel. Afbeelding: xkcd.com.

Het bestaan van deze zwarte gaten was afgeleid uit metingen die aangeven hoe gassen en sterren zich hieromheen bewegen, allemaal indirecte metingen dus. Heino Falcke: “Het werkt net als bij planeten die om de zon draaien. Hoe dichter een planeet bij de zon komt, hoe sneller deze moet draaien om een stabiele baan om de zon te kunnen maken. Er moet evenwicht zijn tussen de centrifugale kracht en de zwaartekracht. Uit de snelheid van sterren rondom een zwart gat kunnen we de zwaartekracht als gevolg van het zwarte gat terugrekenen en daarmee zijn massa bepalen.” De foto die nu gepresenteerd is, is van de M87*. De data van het andere zwarte gat zijn nog niet verwerkt. 

Virtuele telescoop

Om een afbeelding te maken van het zwarte gat zou meten met slechts één telescoop niet voldoende informatie opleveren, vanwege een te lage resolutie. Je zou hiervoor een heel grote telescoop nodig hebben eigenlijk ter grootte van de aarde. Door nu tegelijkertijd metingen te doen met acht verschillende telescopen verspreid over de aarde, kon één heel grote (virtuele) telescoop gemaakt worden.

Voorbereidingen

Er waren veel voorbereidingen nodig, voordat de metingen gedaan konden worden die tot de foto leidden. Heino Falcke: “Omdat we meerdere telescopen nodig hadden die met elkaar zouden moeten koppelen, moesten we eerst met de eigenaren hiervan praten. Vervolgens moesten we afspreken dat iedereen tegelijkertijd waarnemingen zou gaan doen. Daarvoor had elke telescoop een atoomklok nodig om heel nauwkeurig de tijd te meten, zodat je de signalen van de verschillende telescopen precies in de tijd naast elkaar kunt leggen (synchroniseren). Verder was er digitale apparatuur nodig om de radiosignalen van de telescoop om te zetten naar digitale signalen en grote harde schijven om de data op te slaan. De hoeveelheid data was enorm. Vergelijk het maar met een maandbundel van 4 GB voor je mobiele telefoon. Bij één telescoop zou die in 1 seconde verbruikt zijn, maar er waren 8 telescopen waarmee we zes dagen gemeten hebben.” 

Internationale samenwerking

De acht telescopen die nodig waren om een foto van het zwarte gat te maken, staan in de Verenigde Staten, Chili, Hawaï, Mexico, Zuidpool en in Spanje. De telescopen staan op grote hoogte, zodat je bij metingen zo min mogelijk last hebt van verstoringen in de atmosfeer. Freek Roelofs was aanwezig bij de telescoop in Arizona (Verenigde Staten), toen de metingen voor de foto zijn uitgevoerd. Al tijdens zijn studie sterrenkunde aan de Radboud Universiteit deed Freek Roelofs een stage bij het EHT-project. Hij vond dit zo interessant dat hij besloot te promoveren in de groep van Heino Falcke. Freek Roelofs vertelt enthousiast over zijn werk: “Er zijn zo veel aspecten aan dit onderzoek. Het hele proces van meten tot dataverwerking is interessant, maar ook het maken van simulaties die hierbij nodig zijn. Door de internationale samenwerking werk je met mensen uit de hele wereld. Dat maakt het erg leuk.”

Figuur 5: Arizona Radio Observatory in Arizona (VS). Teamfoto voor de ‘Submillimeter Telescope’ v.l.n.r Sara Issaoun en Freek Roelofs (Radboud Universiteit Nijmegen), Junhan Kim en Christian Holmstedt (University of Arizona). Foto: J. Kim.

Meten en verwerken data

In april 2017 zijn er metingen gedaan die uiteindelijk de foto van het zwarte gat opleverden. Het verwerken van de metingen heeft ontzettend veel tijd gekost, omdat er heel veel stappen nodig zijn om de data te verwerken tot een beeld. Ook zijn er veel simulaties nodig geweest om te controleren of het beeld dat gemaakt is met verschillende beeldverwerkingstechnieken klopt en om te kijken of simulaties van de situatie van het zwarte gat klopten met de foto die gemaakt is. Een knap staaltje werk!