Zwart gat komt in de film

In 2019 zagen we de eerste foto van een zwart gat. Nu willen onderzoekers met een netwerk van telescopen een film maken van het zwarte gat in de Melkweg. Die kan laten zien of onze theorieën over het heelal onder extreme omstandigheden standhouden.

In 2019 zagen we de eerste foto van een zwart gat. Nu willen onderzoekers met een netwerk van telescopen een film maken van het zwarte gat in de Melkweg. Die kan laten zien of onze theorieën over het heelal onder extreme omstandigheden standhouden.

Shutterstock

De onscherpe foto van oranje en geel licht met een donkere vlek in het midden zag er niet bijster indrukwekkend uit toen hij op 10 april 2019 aan het publiek werd gepresenteerd. Maar het was een sensatie: de allereerste foto van een zwart gat, of beter gezegd van alles wat zich rondom een zwart gat bevindt.

Zwarte gaten zelf zijn onzichtbaar, doordat hun enorme zwaartekracht alles naar zich toe trekt en zelfs licht niet kan ontsnappen.

Maar op de foto stonden zulke scherpe contouren van het zwarte gat dat de astronomen toch konden zeggen dat ze voor het eerst hadden ‘gezien wat ons onmogelijk leek om te zien’.

Ondanks hun duistere aard zijn zwarte gaten een van de best bestudeerde astronomische verschijnselen, omdat ze mysterieus zijn en omdat ze volgens de astrofysici bepalend zijn voor de ontwikkeling van het heelal en het ontstaan van sterrenstelsels, sterren, planeten en uiteindelijk ook van onszelf hier op aarde.

Daarom registreren astronomen alles wat er dicht bij de zwarte gaten gebeurt wanneer deze de ruimte en tijd in het heelal om zich heen vervormen.

En daarom observeerden honderden onderzoekers de ruimte jarenlang met behulp van een wereldwijd netwerk van telescopen om een vage geel-oranje cirkel rond een donkere vlek te kunnen vastleggen.

Dode sterren zijn onzichtbaar

Zelfs licht ontsnapt niet uit een zwart gat. Maar we kunnen de zwarte ‘stofzuigers’ waarnemen doordat de gravitatievelden alles eromheen beïnvloeden.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Sterren draaien rond het zwarte gat

Doorgaans wordt een zwart gat ontdekt doordat sterren om niets lijken te draaien, ofwel om een object dat heel massief is maar geen straling uitzendt. Dat kan alleen een zwart gat zijn.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Straling verraadt enorme energie

Licht en andere straling ontsnappen niet uit een zwart gat, maar de schijf rond het gat zendt krachtige straling uit, doordat gas en stof rondgeslingerd en tot miljoenen graden verwarmd worden.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Gravitatiegolven vervormen de ruimte

Als twee zwarte gaten versmelten, komt er energie vrij in de vorm van gravitatiegolven, die door de ruimte rollen en deze vervormen. Zeer gevoelige detectoren op aarde kunnen de golven meten.

En daar blijft het niet bij. De telescopen worden nu gericht op het zwarte gat in het hart van de Melkweg. Niet om een snapshot te maken, maar om een film op te nemen die kan laten zien of de natuurwetten onder extreme omstandigheden standhouden.

Omgeving verraadt waar gat is

Een zwart gat is in wezen een extreem grote massa die zeer sterk is samengedrukt. Naar het midden wordt de zwaartekracht sterker, en in het centrum hoopt zich zo veel massa op op zo’n klein punt dat de kracht oneindig groot wordt – zo groot dat hij de ruimte en tijd eromheen vervormt.

Zo’n punt wordt een singulariteit genoemd. Die term werd in 1915 door Albert Einstein geïntroduceerd in zijn algemene relativiteitstheorie, de beste beschrijving die we hebben van de aard van de zwaartekracht.

Een foto van een zwart gat is een ‘schaduwbeeld’. Fotonen achter het gat, die door de zwaartekracht worden afgebogen in de richting van de aarde, vormen het silhouet.

© ken ikeda madsen/Shutterstock

Einstein was er niet zeker van dat singulariteiten bestaan, maar op dit moment is het onze enige verklaring voor de verschijnselen rondom zwarte gaten.

De dichtheid in de gaten is zo extreem groot dat de onderzoekers ze als het laboratorium van de natuur beschouwen, waar we kunnen testen of ons beeld van de zwaartekracht steek houdt als deze tot het uiterste wordt gedreven.

Rond een zwart gat draaien stof en gas in de accretieschijf. Het binnenste van die schijf wordt door de zwaartekracht geleidelijk het gat in getrokken.

Komt de materie te dichtbij, dan passeert deze de waarnemingshorizon. Wanneer een object, of licht, deze grens passeert, is er geen weg terug.

Daarmee vormt de waarnemingshorizon ook de grens van onze waarneming van een zwart gat.

VIDEO: Experts beantwoorden vragen – ‘Waarom is de foto zo wazig?'

Daarom bestuderen astronomen zwarte gaten ook door dat wat eromheen gebeurt te observeren. Als gevolg van de zwaartekracht van de gaten draaien er sterren omheen, en op basis van de massa en banen daarvan kan de massa van het gat worden berekend.

Dichter bij een zwart gat wordt krachtige straling uitgezonden, die we vanaf de aarde kunnen meten. De straling komt van zeer hete gassen.

Nabij de waarnemingshorizon is het gravitatieveld zo sterk dat de bestanddelen van de straling, fotonen, in banen rond het gat terechtkomen.

Doordat die banen instabiel zijn, vallen de fotonen in het zwarte gat of worden ze weggeslingerd.

Sommige gaan onze kant op en bereiken na miljoenen jaren de aarde, tenzij ze onderweg op een hindernis stuiten, worden afgebogen door zware objecten of worden opgeslokt door waterdamp in de aardatmosfeer.

De Event Horizon Telescope bestaat uit 11 telescopen die één megatelescoop vormen met een schotel zo groot als de aarde. Elke telescoop beslaat een stukje van de schotel en draagt bij aan een totaalbeeld.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Straling van zwart gat bereikt de aarde

Astronomen observeren zwarte gaten met radiotelescopen. Anders dan zichtbaar licht kunnen radiogolven door de atmosfeer dringen en ons bereiken.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Telescopen observeren helft van de tijd

Door de aardrotatie heeft elke telescoop maar de helft van het etmaal zicht op het zwarte gat. Als een telescoop aan de ‘verkeerde’ kant staat, nemen collega’s het over.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Rotatie maakt de beelden scherper

Elke telescoop vormt tijdens zijn observatietijd ‘streepjes’ van puntsgewijze observaties op het scherm, doordat de aarde draait. Dat verhoogt de resolutie van de beelden.

Straling van zwarte gaten bereikt ons niet als zichtbaar licht, maar als radiogolven. Die worden opgevangen met behulp van een wereldwijd netwerk van radiotelescopen, de Event Horizon Telescope (EHT), die straling met een golflengte van 1,3 millimeter kan meten.

In april 2017 mat de EHT straling van het zwarte gat M87*, en in zeven dagen tijd verzamelden de telescopen 5 petabyte data over het gat. Dat is de totale productie aan selfies van 40.000 mensen gedurende hun hele leven.

Zo veel data kun je sneller fysiek dan via internet transporteren, en daarom gingen er harde schijven naar twee datacentra, waar de onderzoekers de observaties combineerden.

De radiogolven werden ‘vertaald’ in zichtbare golven: geel staat voor de sterkste straling, rood voor iets zwakkere en zwarte pixels geven het ontbreken van straling aan.

Op die manier konden de EHT-­onderzoekers twee jaar later de beroemde foto presenteren. De afbeelding was met name baanbrekend omdat hij voor het eerst de waarnemingshorizon zelf liet zien.

Deze wordt weergegeven als een donkere, ronde schijf omringd door geel en oranje licht. De astronomen hebben berekend dat de waarnemingshorizon van M87* een diameter heeft van circa 39,2 miljard kilometer.

39,2 mld km is de diameter van het zwarte gat M87*, dat in 2019 beroemd werd.

Zwart gat in de Melkweg verbaast astronomen

De Melkweg draait om het superzware zwarte gat Sagittarius A. De astronomen willen de straling hiervan bestuderen om raadsels op te lossen over het zwarte hart van ons sterrenstelsel – bijvoorbeeld waarom Sagittarius A minder materie lijkt te verzwelgen dan andere zwarte gaten.

Waarom is het gat niet zo gulzig?

Straling van Sagittarius A* duidt erop dat hij vergeleken met andere zwarte gaten erg weinig gas en stof opslokt. Dat kan te maken hebben met het magnetisch veld van het gat, dat de materie in de accretieschijf in stabiele banen dwingt, waar ze niet verzwolgen wordt. Het magneetveld wordt o.a. onderzocht met de ­telescoop SOFIA, die op een Boeing 747 zit.

© NASA

Hoe groot is de massa van het zwarte gat?

De massa van Sagittarius A* wordt geschat op 4 miljoen zonnemassa’s, maar we weten het niet precies. De massa is bepaald aan de hand van sterren die in elliptische banen dicht om het gat draaien. Onderzoekers in de VS berekenden in 2008 een grootte van 3,7 miljoen zonnemassa’s, een jaar later kwamen Duitse onderzoekers uit op 4,3 miljoen.

© Ken Ikeda Madsen

Heeft het gat jets?

Superzware zwarte gaten hebben vaak jets, stromen die vanuit het binnenste deel van de accretieschijf lopen, loodrecht erop. Astronomen van The University of Sydney analyseerden twee grote gasbellen bij Sagittarius A*. Ze ontdekten dat het zwarte gat 3,5 miljoen jaar terug een enorme gaswolk verzwolg en dat een deel van het gas twee kanten op werd geslingerd, net als bij jets.

© NASA’s Goddard Space Flight Center

Waardoor wordt de straling sterker?

In mei 2019 werd de straling van Sagittarius A opeens twee keer zo krachtig. We weten niet hoe dat komt, maar het zou kunnen dat de ster S0-2 vlak langs het zwarte gat scheerde, waardoor gassen rond Sagittarius A samenklonterden en ineens versnelden in de richting van het zwarte gat – met een enorme energieontlading tot gevolg.

Zwarte gat in Melkweg is een kind

M87 heeft circa 6,5 miljard keer de massa van de zon en is een zogeheten superzwaar zwart gat. In het centrum van de Melkweg bevindt zich ook zo’n superzwaar zwart gat, Sagittarius A. Het hele sterrenstelsel draait eromheen.

Het verschil tussen deze twee is dat Sagittarius A* ongeveer 1600 keer lichter is. Het staat ook 2000 keer dichter bij ons.

De verschillen in massa en afstand heffen elkaar deels op, in die zin dat de twee gaten vanaf de aarde vrijwel even groot lijken.

Het verschil heeft nog een tweede, veel belangrijkere betekenis: snelheid. M87* is een dankbaar motief om te fotograferen, omdat astronomen er foto’s van kunnen nemen met een lange ‘sluitertijd’.

Dat komt doordat de straling van het gat urenlang nauwelijks verandert: de gassen draaien heel langzaam om het gat.

De gassen gaan zo traag doordat ze ver weg zijn van het punt waar de massa van het zwarte gat zich omheen verzamelt, het massamiddelpunt. Bij Sagittarius A* bewegen de gassen sneller rond het gat, want ze zijn dichter bij het massamiddelpunt.

De wetenschappers vergelijken M87 met een volwassene die stilzit voor de foto, terwijl Sagittarius A als een kind van drie voor de camera heen en weer rent. De oplossing is een film te maken in plaats van een foto.

De nieuwe Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) in Japan kan gravitatiegolven observeren die mogelijk afkomstig zijn van botsingen tussen zwarte gaten.

© KAGRA Observatory

De onderzoekers willen de telescopen van het EHT-netwerk zo instellen dat ze radiostraling opnemen met een kortere golflengte, namelijk 0,87 millimeter in plaats van 1,3.

Dat zou de beelden 30 tot 50 procent scherper moeten maken. Daarnaast zullen er meer telescopen worden ingezet dan eerst.

Er zijn drie telescopen, in Groenland, Frankrijk en Arizona, VS aan de bestaande acht EHT-telescopen toegevoegd, zodat er nu opnamen worden gecombineerd van in totaal 11 exemplaren.

Ten slotte wordt het computerprogramma StarWarps ingezet om van de beelden een samenhangende film te maken.

StarWarps kan een reeks beelden analyseren en berekenen hoe de tussenliggende er waarschijnlijk uitzien.

Zodoende kunnen de beelden worden aangevuld met beeldmateriaal dat door de computer is gegenereerd en wordt het eindresultaat geen diavoorstelling, maar een echte film met bewegende beelden.

Zwarte gaten weten alles

Een film van het zwarte gat in het midden van de Melkweg kan diverse vragen helpen beantwoorden. Zo willen we graag beter begrijpen hoe de magneetvelden van zwarte gaten tegen de materie in de accretieschijf ‘duwen’.

Volgens de theorie verbuigen de zwaartekracht van een zwart gat plus de rotatie ervan een magneetveld dat geladen deeltjes rond het gat beïnvloedt. Sommige deeltjes vallen in het gat, andere worden ver weggeslingerd, maar het is niet bekend hoeveel materie welke kant op gaat.

Wellicht kan een video van de materie rondom Sagittarius A* dat verduidelijken. De deeltjes kunnen ook in jets terechtkomen.

Die komen bij veel zwarte gaten voor en bestaan uit geladen deeltjes die vanuit de binnenrand van de accretieschijf worden weggeslingerd.

De onderzoekers van het wereldwijde telescopennetwerk Event Horizon Telescope (EHT) willen een video maken van het zwarte gat in het hart van de Melkweg, met een techniek die geobserveerde en computerbeelden combineert tot een film.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Telescopen registreren observaties precies

Straling van het zwarte gat bereikt de 11 EHT-­telescopen op aarde. Atoomklokken, die slechts 1 seconde per 10 mln jaar verliezen, registreren de tijd van de observaties.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Data op harde schijven gaan de wereld over

Circa 500 kilo aan schijven met data van de telescopen wordt overgebracht naar Cambridge, VS en Bonn, Duitsland. Computers vlechten de observaties in elkaar.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Alle observaties worden bij elkaar gebracht

Elke observatie draagt een stukje bij aan een totaalbeeld, waarin de onderzoekers met kleuren de sterkte van de radiogolven uit het zwarte gat weergeven.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Computer vult de hiaten tussen de beelden in

Elk beeld van het zwarte gat wordt ‘opgeroepen’ op basis van een paar minuten observaties van elke telescoop. Het computerprogramma StarWarps registreert kleine veranderingen binnen de ‘sluitertijd’. Op basis daarvan genereert StarWarps de waarschijnlijkste tussenliggende beelden, met een samenhangende film als resultaat.

Een andere vraag die de film mogelijk beantwoordt is hoe superzware zwarte gaten ontstaan. Ze bevinden zich in het centrum van de meeste sterrenstelsels en zijn tegelijk daarmee gevormd.

Sommige superzware zwarte gaten van rond de 30 miljard zonnemassa’s staan volgens de theorie echter te ver weg, zoals J2157. Het licht dat ons bereikt van J2157 werd uitgezonden toen het heelal nog maar 1,2 miljard jaar oud was.

Volgens de theorieën konden zwarte gaten van meer dan 20 miljard zonnemassa’s niet zo vroeg in de geschiedenis van het heelal al bestaan.

Een video van Sagittarius A* kan ophelderen hoe dit gat werd gevormd en daarmee ook hoe ‘onmogelijke’ zwarte gaten ontstaan.

De EHT-astronomen willen ook andere zwarte gaten filmen en zelfs een hele filmcatalogus aanleggen, om superzware zwarte gaten van verschillende leeftijden te kunnen vergelijken en te zien hoe ze zich ontwikkelen.

Er zijn nog veel vragen rond kwantumgravitatie, en we kunnen bij zwarte gaten naar antwoorden zoeken. Avery Broderick, astrofysicus

Op dit moment is de EHT over heel de aarde verspreid om straling op te vangen met een zo groot mogelijk schoteloppervlak, maar de astronomen willen graag ook een netwerk van satelliettelescopen.

Dat geeft de EHT een nog grotere diameter, en satellieten kunnen straling opvangen die anders in de aardatmosfeer zou worden geabsorbeerd.

Onderzoekers van de Radboud Universiteit in Nijmegen hebben berekend dat deze twee verbeteringen een vijf keer zo hoge resolutie zullen opleveren als de huidige EHT biedt.

Een videocatalogus in hoge resolutie is slechts het begin van wat er mogelijk is met een EHT die wordt uitgebreid naar de ruimte.

Het einddoel van de onderzoekers is de wetenschap zelf te veranderen, door aan te tonen dat twee fundamentele theorieën van de natuurkunde verenigbaar zijn.

Einsteins relativiteitstheorie gaat over het heelal op grote schaal en biedt nog steeds de beste verklaring voor het gedrag van zwarte gaten.

Maar ze is altijd onmogelijk te combineren geweest met de kwantummechanica, die de allerkleinste deeltjes verklaart.

Er is al een naam bedacht voor de theorie die de twee mogelijk kan verenigen: kwantumgravitatie.

Het bewijs voor deze theorie, dat de grootste revolutie in de natuurkunde in ruim 100 jaar zou zijn, ligt mogelijk in zwarte gaten.

Zoals de Canadese EHT-natuurkundige Avery Broderick zegt: ‘Het spannendste wat we kunnen doen is Einstein te verdringen door te bewijzen dat er zich in dit extreme gravitatielaboratorium iets nieuws bevindt. Zwarte gaten zijn omgeven met mysterie, en we weten dat er meer moet zijn.’