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:
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?
Op een gewone kleurenfoto zie je de kleuren zoals je die met het blote oog ook zou zien: de kleuren op de foto komen dan overeen met de echte kleuren van het gefotografeerde object. Deze ´foto´ is tot stand gekomen door registratie van de uitgezonden radiostraling. Ons netvlies is niet gevoelig voor radiostraling. Het is dan ook een false-colorfoto. De frequentieverschillen in de radiostraling worden uitgedrukt door kleurverschillen in de foto. De schaal loopt van bruin via rood en geel naar wit, overeenkomend met steeds hogere temperatuur (en frequenties).
b) Je kunt ook vraagtekens zetten bij de bewering dat dit een foto van het zwarte gat is. Waarom?
Uit een zwart gat komt geen enkele straling. Het gat zelf is dus niet te fotograferen (ook niet in andere frequentiegebieden dan die van zichtbaar licht). Je ziet op de foto een afbeelding van wat buiten de waarnemingshorizon ligt (zie verderop).
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.
De waarnemingshorizon is de grens rondom het zwarte gat waarbinnen alles naar binnen getrokken wordt en geen straling naar buiten kan komen. Hoe groter de massa van het zwarte gat, hoe groter de straal van de waarnemingshorizon. Ook al zijn de beide zwarte gaten vanaf de Aarde schijnbaar even groot, de straal van de waarnemingshorizon om het zwarte gat van M87 is ook schijnbaar groter en dus beter waar te nemen.
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.
Bijvoorbeeld deze opname met de Hubbletelescoop van het licht van melkwegstelsels die zich bevinden achter het melkwegstelsel SDSS J0146-0929.
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?
Dat is gas dat zo heet is dat veel atomen uiteengevallen zijn in elektronen en ionen. De elektronen bewegen zich dan vrij tussen de ionen.
Hieronder zie je een schets van straling die op Aarde wordt opgevangen.
f) Leg uit dat de waargenomen zone met spiraliserend plasma rondom de waarnemingshorizon schijnbaar verbreed is.
Kijk naar de straal aan de linkerkant. Deze is afkomstig van het spiraliserend gas linksachter, maar vanuit de Aarde lijkt hij te komen uit de aangegeven schijnbare richting. Aan de rechterkant idem. De kegel van straling die op Aarde ontvangen wordt heeft dus een verbrede hoek.
Een mooie simulatie is te vinden op nature.com.
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´.
Uit het zwarte gat zelf komt geen straling, je kunt het dus niet zien. Wat je ziet is de straling eromheen. Dat is net zoals bij een gewone schaduw. Je ziet de schaduw afsteken van de omringende omgeving doordat er van de schaduw geen licht komt.
h) Waarom is die lenswerking zo van belang?
De beide dichtstbij zijnde zwarte gaten zijn vanuit de Aarde gezien te klein om waar te nemen. Falcke hoopte dat de lenswerking ervoor zou zorgen dat de ´schaduw´ net groot genoeg zou zijn om wel te kunnen zien.
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?
Een virtuele telescoop is geen echte telescoop (net als het virtuele beeld achter de spiegel geen echt beeld is), het is het schakelen tot één meetinstrument van telescopen op uiteenliggende plaatsen op Aarde. En dan bovendien metingen gedurende meerdere uren. Als gevolg van de draaiingheeft deze virtuele telescoop de afmeting van de diameter van de Aarde.
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.
Zes gelijktijdige persconferenties. Meer dan tweehonderd onderzoekers uit achttien landen. Zie bijvoorbeeld ru.nl.
