Icon up Overzicht

De eerste foto van een zwart gat (Exaktueel)

Onderwerp: Astrofysica, Relativiteitstheorie (vwo), Sterrenkunde

Begrippen: Zwaartekracht

Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde-onderwijs in het voortgezet onderwijs.

Op 10 april 2019 was er spectaculair natuurkundig nieuws:  voor het eerst is met een foto bewezen dat zwarte gaten echt bestaan. Dat kunststukje is het werk van een internationaal team van astronomen, onder meer van de Radboud Universiteit.

Die foto zie je hieronder:



Figuur 1: Eerste foto van een zwart gat. Foto: EHT Collaboration.

Op natuurkunde.nl heeft Antoinette Brugman een mooi artikel met achtergrondinformatie geschreven. Gebruik dat bij beantwoording van de vragen.

De krantenkoppen spreken over de foto van een zwart gat. Maar het is geen gewone foto.

a) In welk belangrijke opzicht verschilt deze foto van een gewone foto?

b) Je kunt ook vraagtekens zetten bij de bewering dat dit een foto van het zwarte gat is. Waarom?

Je zou verwachten dat de eerste foto wel gemaakt zou zijn van het zwarte gat dat het dichtst bij de Aarde staat, namelijk Sagittarius A*, het zwarte gat in het centrum van ons eigen Melkwegstelsel.  De foto is echter van het zwarte gat in sterrenstelsel M87, dat weliswaar 1500 keer zwaarder is maar tweeduizend keer verder weg staat. Daardoor zijn ze vanaf de Aarde gezien schijnbaar ongeveer even groot.

De foto is niet gemaakt vanaf één plaats op Aarde, maar door een ‘telescoop’ die een combinatie van telescopen is, verspreid over de wereld.

c) Wat kan dan het voordeel zijn van de keuze voor het zwarte gat in M87? Gebruik in je antwoord de waarnemingshorizon.

Er is echter een belangrijker reden om voor M87 te kiezen, zeiden de astronomen van de Radboud Universiteit op de persconferentie. Ze vertelden dat waarnemingen van Sgr A* gehinderd worden doordat de Aarde zich in de ´pannenkoek´ van onze Melkweg bevindt waardoor er zich in de interstellaire ruimte tussen ons en het zwarte gas veel verstorend stof bevindt.

 Astronomen waren al lang overtuigd van het bestaan van zwarte gaten. Dat volgt uit de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein (die er overigens zelf niet in het voorkomen van zwarte gaten geloofde).

Bij zwarte gaten doet zich een interessant verschijnsel voor dat ook bekend is van sommige sterren die zich van ons uit gezien achter een andere zwaar hemellichaam bevinden. Straling wordt afgebogen als die langs dat zware object gaat, omdat de ruimte daar volgens de relativiteitstheorie gekromd is. Dat kan er in bijzondere gevallen toe leiden dat een ster die zich vanuit de Aarde achter zo´n zwaar object bevindt er als een ring uitziet, een zogenaamde Einsteinring.

d) Zoek op internet een voorbeeld van zo´n Einsteinring.

Bij de eerste foto vaneen zwart gat is iets vergelijkbaars aan de hand. Massa´s plasma die zich dicht bij de waarnemingshorizon bevinden, maar natuurlijk daarbuiten, spiraliseren rondom het zwarte gat waarin ze uiteindelijk zullen verdwijnen. Straling afkomstig van deze massa´s verandert door de gekromde ruimte rondom het zwarte gat van richting en komt dus voor ons schijnbaar uit andere richting. Dat veroorzaakt wat men noemt de lenswerking van het zwarte gat.

e) Wat is een plasma?

Hieronder zie je een schets van straling die op Aarde wordt opgevangen.


Figuur 2.

f) Leg uit dat de waargenomen zone met spiraliserend plasma rondom de waarnemingshorizon schijnbaar verbreed is.

De astronoom Heino Falcke, die aan de wieg van deze foto staat, kwam juist door de lenswerking op het idee dat er een kans was dat het mogelijk is een afbeelding van de ´schaduw´ van een zwart gat te maken. 

g) Verklaar de term ´schaduw´.

h) Waarom is die lenswerking zo van belang?

De lenswerking op zich was nog onvoldoende om een geslaagde foto te kunnen maken. Waarnemen vanaf één plek op aarde zou een te klein beeld opleveren. Je hebt een véél grotere telescoop nodig, als het zou kunnen een zo groot als de Aarde. Zo´n grote telescoop is onmogelijk. Daarom namen de astronomen hun toevlucht tot een ´virtuele´ telescoop.

i) Wat is dat?

Het is duidelijk dat zo´n project zonder internationale samenwerking niet mogelijk is. Er waren dan ook heel wat onderzoeksgroepen bij betrokken. En daarom vond de presentatie van de spectaculaire foto dan ook plaats op meerdere plaatsen van de wereld in min of meer gelijtijdige persconferenties.

j) Zoek op op hoeveel plaatsen dat het geval was en hoeveel astronomen erbij betrokken waren.