Woensdag 10 april 2019 zal de geschiedenis in gaan als een van de belangrijkste dagen in de wetenschappelijke wereld.
Op die dag toonden astronomen van het European Southern Observatory (ESO) de eerste foto van de onzichtbare superster van het heelal: een zwart gat.
Een gigant – ook vergeleken met andere zwarte gaten
Op de foto staat het superzware zwarte gat in het centum van het ellipsvormige sterrenstelsel Messier 87 (M87), zo’n 53 miljoen lichtjaar van ons vandaan.
M87 bevat een enorm ellipsvormig zwart gat met een massa die 1000 miljard zonnemassa’s groter is dan die van de Melkweg. Uit dit superzware zwarte gat in het centrum van zijn sterrenstelsel komt een straal van deeltjes die de Hubbletelescoop op deze foto heeft vastgelegd.
Zelfs voor een zwart gat is dit een buitengewoon indrukwekkend exemplaar. Het heeft een massa van 6,5 miljard keer die van de zon, maar toch is de foto niet heel helder.
Ten eerste kunnen we het zwarte gat zelf niet zien. Omdat er niets aan kan ontsnappen, ook geen licht, hebben de astronomen gefocust op de zogeheten waarnemingshorizon. Dit is de grens van het gebied waar het licht ingevangen wordt door de gigantische zwaartekracht van het zwarte gat.
Ten tweede bevindt het zwarte gat zich op zo’n grote afstand van ons dat het ondanks zijn omvang aan onze hemel evenveel plek inneemt als een sinaasappel op de maan – een piepklein stukje dus.
De eerste foto van een zwart gat bevestigt de gangbare theorie over de opbouw van deze massieve objecten.
De massa van het zwarte gat is geconcentreerd in één punt.
De waarnemingshorizon is de grens van het gebied waar materie en licht niet meer aan de zwaartekracht van het zwarte gat kunnen ontsnappen.
Een schijf van materie en gassen draait om de waarnemingshorizon.
Straalstromen van geladen deeltjes schieten bij actieve, superzware zwarte gaten, die nog steeds gas, materie en sterren opslokken, loodrecht uit de schijf.
Zwarte gaten verstoppen zich
Een ander probleem voor de astronomen was dat zwarte gaten worden omringd door stof en gassen, die het zicht blokkeren. Daarom kunnen we ze niet zien met optische telescopen, die foto’s met behulp van licht maken.
De wetenschappers moesten radiotelescopen gebruiken, die de radiogolven opvangen die het zwarte gat uitzendt.
De wolk van gas en stof hangt zo dicht om het zwarte gat dat alleen radiogolven met een golflengte van circa 1 millimeter worden doorgelaten. Als die golven de aarde bereiken, worden ze geabsorbeerd door water in de atmosfeer, waardoor ze bijna niet waarneembaar zijn.
Acht telescopen zien meer dan één
Om al deze problemen op te lossen werd de Event Horizon Telescoop (EHT) gebouwd. Hierbij werken acht van de grootste radiotelescopen samen om zwarte gaten waar te nemen.
Supertelescopen werken nauw samen
Acht telescopen zien meer dan één. Dat is het principe van het telescoopnetwerk Event Horizon, waarbij telescopen in alle windstreken samen het onzichtbare zichtbaar maken.
HAWAÏ
James Clerk Maxwell-telescoop
- Diameter: 15 meter
Submillimeter Array
- Samengesteld uit: Acht gecoördineerde 6-metertelescopen
WESTKUST
Large Millimeter-telescoop, Mexico
- Diameter: 50 meter
Submillimeter-telescoop, Arizona
- Diameter: 10 meter
CHILI
Atacama Large Millimeter Array (ALMA)
- Samengesteld uit: 54 telescopen van 12 meter en 12 telescopen van 7 meter
Atacama Pathfinder Experiment
- Diameter: 12 meter
SPANJE
Iram 30-M-telescoop
- Diameter: 30 meter
ANTARCTICA
South Pole-telescoop
- Diameter: 10 meter
De telescopen zijn gesynchroniseerd met atoomklokken en werken in feite als één grote radiotelescoop met een schotel zo groot als de aarde. Het effect is zo sterk dat de EHT een sinaasappel op de maan kan zien liggen – en diep kan doordringen in een sterrenstelsel op miljoenen lichtjaren afstand.
Met andere woorden: de EHT ziet radiogolven die bijna onzichtbaar zijn.
De ESO heeft een korte documentaire gemaakt waarin wordt uitgelegd hoe de foto is ontstaan en de onderzoekers achter de foto worden geportretteerd.
Gegevens per vliegtuig vervoerd
In april 2017 waren alle acht telescopen een week lang gericht op het centrum van M87. Ze sloegen gegevens op over de golven die ze opvingen.
In die week verzamelden de telescopen voor 5 petabyte aan data – 5 miljoen gigabyte.
Dat was zo’n grote berg data dat het jaren geduurd zou hebben als de telescopen hun observaties via het internet hadden verstuurd.
5 petabyte is heel veel data. Het komt overeen met een mp3’tje met een speelduur van 5000 jaar. Dan Marrone is astronoom aan de University of Arizona en hoorde bij het team achter de foto. Hier probeert hij uit te leggen hoeveel gegevens er zijn verwerkt om de foto te creëren.
Daarom werden alle gegevens op harde schijven gezet, die per vliegtuig naar twee datacentra werden gebracht, een in Duitsland en een in de VS. Dat leverde wat vertraging op.
Een van de telescopen staat op Antarctica, waar ’s winters niet gevlogen mag worden. En omdat de EHT in het begin van de Zuidpoolwinter begon met opnemen, moesten de wetenschappers een half jaar op de gegevens van de Antarctische telescoop wachten.
Dat het zo lang duurde voor de foto klaar was, was onder andere te wijten aan de South Pole Telescope. Het viel niet mee om de gegevens van de waarnemingen uit de barre ijswoestijn te krijgen.
Supercomputers kauwden op data
In Duitsland en de VS werden de vergaarde gegevens verwerkt door supercomputers.
Er waren 800 supercomputers nodig, die verbonden waren via een netwerk van 40 Gbit/s, om de data van de verschillende telescopen met elkaar te vergelijken.
En al dat rekenwerk leidde uiteindelijk tot het korrelige beeld dat een van de belangrijkste foto’s is die astronomen ooit hebben gemaakt.
Einstein had gelijk
Meer dan 100 jaar geleden publiceerde de Duitse natuurkundige Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie.
Deze theorie verklaart hoe alle massa de ruimte om zich heen kromt en zo dingen aantrekt. De zwaartekracht wordt voorgesteld als een kromming van de ruimtetijd.
Einsteins theorie maakte het bestaan van zwarte gaten aannemelijk, en volgens zijn ideeën hadden die een waarnemingshorizon waar het laatste zichtbare licht uitgezonden wordt. Bovendien beschreef hij de gaten zelf als kogelrond en stelde hij dat we de omvang van het donkere gebied kunnen uitrekenen aan de hand van de massa.
Al zijn voorspellingen over de extreem massieve objecten werden bevestigd door de waarnemingen van het zwarte gat van M87.
Maar Einstein maakte ook fouten. Volgens hem bestonden zwarte gaten alleen in theorie omdat de deeltjes zouden stoppen met uiteenvallen voordat ze zwaar genoeg zouden zijn om een zwart gat te vormen.
Volgende halte: de Melkweg
De EHT had niet alleen het zwarte gat van M87 in het vizier. De telescopencombinatie onderzocht ook het enorme zwarte gat in het centrum van de Melkweg. In de nabije toekomst kun je dan ook nog een foto van een zwart gat tegemoetzien.
Ons ‘eigen’ zwarte gat is zo’n 2000 keer zo dichtbij, maar ook 2000 keer zo klein. Daardoor lijkt het aan de hemel even groot als het zwarte gat van M87: het heeft vanaf de aarde gezien de omvang van een sinaasappel op de maan.
Om die reden ligt het dan ook niet voor de hand dat de foto van het superzware centrum van de Melkweg minder korrelig zal zijn dan het beeld dat we nu hebben gezien.
