Telescopen/telescooparrays geassocieerd met de Event Horizon Telescoop gericht op Messier 87. Zo ziet een superzwaar zwart gat eruit, en de waarnemingshorizon is duidelijk zichtbaar. Event Horizon Telescope collaboration et al.

Variëteit is niet alleen de specerij van het leven, maar een natuurlijk gevolg van het leven in ons heelal. De zwaartekracht, die op alle schalen aan dezelfde universele wetten gehoorzaamt, creëert klonters en clusters van materie in een enorme reeks combinaties, van ijle gaswolken tot massieve sterren, die allemaal samenkomen in sterrenstelsels, clusters en een groot kosmisch web.

Vanuit ons perspectief op aarde is er enorm veel waar te nemen. We kunnen het echter niet allemaal zien. Als de zwaarste sterren sterven, worden hun lijken zwarte gaten. Met zoveel massa in zo’n klein ruimtevolume kan niets – geen enkel signaal – naar buiten komen. We kunnen de materie en het licht dat rond deze zwarte gaten wordt uitgezonden, waarnemen, maar binnen de waarnemingshorizon ontsnapt niets. In een ongelooflijk succesverhaal voor de wetenschap hebben we zojuist voor het eerst met succes een waarnemingshorizon in beeld gebracht. Hier is wat we zagen, hoe we het deden, en wat we geleerd hebben.

Die in het centrum van het sterrenstelsel M87, is ongeveer 1000 keer groter dan het zwarte gat van de Melkweg, maar staat meer dan 2000 keer verder weg. De relativistische straal die uit zijn centrale kern komt, is een van de grootste en meest gecollimeerde die ooit zijn waargenomen. Dit is het sterrenstelsel dat ons onze eerste waarnemingshorizon ooit laat zien. ESA/Hubble en NASA

Wat hebben we gezien? Wat je ziet hangt af van waar je kijkt en hoe je je waarnemingen doet. Als we een waarnemingshorizon willen zien, kunnen we het beste kijken naar het zwarte gat dat vanuit ons perspectief op aarde het grootst lijkt. Dat betekent dat het de grootste verhouding moet hebben tussen de werkelijke, fysieke grootte en de afstand tot ons. Hoewel er misschien wel een miljard zwarte gaten in ons eigen melkwegstelsel zijn, bevindt het zwaarste zwarte gat dat we kennen zich op ongeveer 25.000 lichtjaar afstand: in het centrum van het Melkwegstelsel.

Dit is het grootste zwarte gat, in termen van de hoekgrootte van zijn waarnemingshorizon, dat vanaf de aarde zichtbaar is, met een geschatte massa van 4 miljoen zonnen. Het op een na grootste is veel verder weg, maar veel en veel groter: het zwarte gat in het centrum van M87. Dit zwarte gat is naar schatting 60 miljoen lichtjaar ver weg, maar weegt naar schatting 6,6 miljard zonnen.

, in silhouet tegen de achtergrond van de radio-emissies erachter, worden onthuld door de Event Horizon Telescope in een sterrenstelsel op zo’n 60 miljoen lichtjaar afstand. De massa van het zwarte gat in het centrum van M87, zoals gereconstrueerd door de Event Horizon Telescope, blijkt 6,5 miljard zonsmassa’s te bedragen. Event Horizon Telescope collaboration et al.

De Event Horizon Telescope heeft geprobeerd de event horizons van beide in beeld te brengen, met gemengde resultaten. Het zwarte gat in het centrum van de Melkweg – bekend als Sagittarius A* -, dat oorspronkelijk iets groter werd geschat dan zijn tegenhanger M87, heeft zijn waarnemingshorizon nog niet in beeld gekregen. Als je het heelal observeert, krijg je niet altijd wat je verwacht; soms krijg je wat het je geeft. In plaats daarvan kwam het zwarte gat van M87 als eerste door, en dat was een veel helderder en veel zuiverder signaal.

Wat we hebben gevonden is spectaculair. Die donkere pixels in het midden van het beeld zijn eigenlijk het silhouet van de waarnemingshorizon zelf. Het licht dat we waarnemen komt van de versnelde, verhitte materie er omheen, die elektromagnetische straling moet uitzenden. Waar de materie bestaat, zendt ze radiogolven uit, en de donkere cirkel die we zien is waar de achtergrond radiogolven worden geblokkeerd door de waarnemingshorizon zelf.

gat in het centrum van ons melkwegstelsel: Sagittarius A*. Het heeft een massa van ongeveer vier miljoen zonnen, en is omgeven door heet, röntgenstraling uitzendend gas. Röntgenfoto: NASA/UMass/D.Wang e.a., IR: NASA/STScI

Voor M87 zagen we alles waar we op hadden gehoopt. Maar voor Sagittarius A* hadden we niet zoveel geluk.

Wanneer je naar een zwart gat kijkt, probeer je het achtergrondlicht te zien dat de enorme massa in het centrum van een sterrenstelsel omringt, waar de waarnemingshorizon van het zwarte gat zelf op de voorgrond van een deel van het licht staat, zodat je een silhouet ziet. Hiervoor zijn drie dingen nodig die allemaal in je voordeel werken:

1. Je moet de juiste resolutie hebben, wat betekent dat je telescoop (of telescoop-array) het object dat je bekijkt als meer dan een enkele pixel moet zien.
2. Je hebt een melkwegstelsel nodig dat radio-luid is, wat betekent dat het een radio-achtergrond uitzendt die sterk genoeg is om daadwerkelijk op te vallen tegen het silhouet van de waarnemingshorizon.
3. En je hebt een sterrenstelsel nodig dat radiotransparant is, wat betekent dat je helemaal tot aan het zwarte gat kunt kijken zonder in de war te worden gebracht door radiosignalen op de voorgrond.

, het zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel M87, is hier in drie opnamen te zien. Bovenaan is de optische waarneming van de Hubble-telescoop te zien, linksonder de radioweergave van de NRAO, en rechtsonder de röntgenopname van Chandra. Ondanks zijn massa van 6,6 miljard zonnen staat hij meer dan 2000 keer verder weg dan Sagittarius A*. De Event Horizon Telescope heeft geprobeerd het zwarte gat in de radio te bekijken, en is daarin geslaagd, waar dat bij Sagittarius A* niet het geval was. Boven, optisch, Hubble Space Telescope / NASA / Wikisky; linksonder, radio, NRAO / Very Large Array (VLA); rechtsonder, röntgen, NASA / Chandra röntgentelescoop

We hebben uitgebreide emissies van rond zwarte gaten vele malen bekeken in vele golflengten van licht, waaronder in het radiogedeelte van het spectrum. Hoewel M87 aan alle drie de criteria voldoet, had het zwarte gat in het centrum van ons eigen melkwegstelsel niet voldoende signaal-ruisverhouding om een beeld te creëren, mogelijk vanwege de veel lagere stralingsintensiteit. Jammer, want we hadden graag een beter beeld gehad van een tweede zwart gat, en wel het grootste, gemeten in hoekgrootte, aan de hemel van de aarde. We krijgen echter het heelal dat we hebben, niet het heelal waar we op hopen.

Het op twee na grootste zwarte gat, gezien vanaf de aarde, bevindt zich in het centrum van het verre sterrenstelsel NGC 1277. Hoewel de Event Horizon Telescope de juiste resolutie heeft om het te bekijken, is het een radiostil sterrenstelsel, en dus is er niet genoeg radio-achtergrond om het sihouet te zien. Het op drie na grootste zwarte gat is dichtbij, in het centrum van Andromeda, maar onze resolutie, zelfs met de Event Horizon Telescope, is te laag om het te zien.

Arrays die bijdragen aan de beeldvormingsmogelijkheden van de Event Horizon Telescope vanaf een van de hemisferen van de aarde. Met de gegevens die van 2011 tot 2017, en vooral in 2017, zijn verzameld, is het nu voor het eerst gelukt een beeld te maken van de waarnemingshorizon van een zwart gat. APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin

Hoe hebben we het gezien? Dit is zo’n beetje het meest opmerkelijke deel. De Event Horizon Telescope, zoals elke telescoop, heeft twee verschillende aspecten van de gegevens die hij verzamelt nodig om een kritische drempel te overschrijden.

1. Hij moet genoeg licht verzamelen om signaal van ruis te onderscheiden, radio-luide regio’s van radio-stille regio’s, en de regio rond het zwarte gat van de rest van de omgeving rond het galactische centrum.
2. Het moet een voldoende hoge resolutie bereiken zodat de precieze details op hun juiste hoekpositie in de ruimte kunnen worden gelokaliseerd.

We hebben beide nodig om alle details van een astronomisch object te reconstrueren, inclusief een zwart gat. De Event Horizon Telescope had een enorme uitdaging te overwinnen om een beeld te krijgen van welk zwart gat dan ook, vanwege de geringe hoekgrootte.

gesimuleerd hier, is de grootste gezien vanuit het perspectief van de aarde. De Event Horizon Telescope kwam net, eerder vandaag (10 april 2019), met hun eerste beeld van hoe de event horizon van een zwart gat eruit ziet. De grootte van de waarnemingshorizon (wit) en de grootte van het van licht verstoken gebied (zwart) hebben de verhoudingen die ze voorspellen door de Algemene Relativiteitstheorie en de massa van het zwarte gat zelf. Ute Kraus, Natuurkunde onderwijsgroep Kraus, Universität Hildesheim; achtergrond: Axel Mellinger

Omdat de gebieden rond zwarte gaten tot zulke grote snelheden worden versneld, genereert de materie daarin – bestaande uit geladen deeltjes – sterke magnetische velden. Wanneer een geladen deeltje in een magnetisch veld beweegt, zendt het straling uit, en dat is waar de radiosignalen vandaan komen. Zelfs een radiotelescoop van bescheiden afmetingen, met een diameter van slechts enkele meters, is voldoende om het signaal op te pikken. In termen van licht-verzamelend vermogen, is het waarnemen van het signaal boven de ruis vrij gemakkelijk.

Maar de resolutie is uiterst uitdagend. Het hangt af van het aantal golflengten van het licht dat in de diameter van je telescoop past. Om het kleine zwarte gat in het centrum van ons melkwegstelsel te kunnen zien, hebben we een optische telescoop met een diameter van 5.000 meter nodig; in de radio, waar de golven veel langer zijn, hebben we een diameter van ongeveer 12.000.000 meter nodig!

deelnemende telescopen van de Event Horizon Telescope (EHT) en de Global mm-VLBI Array (GMVA). Voor de allereerste keer is de schaduw van de waarnemingshorizon van een superzwaar zwart gat in beeld gebracht. ESO/O. Furtak

Daarom is de Event Horizon Telescope zo krachtig en slim. De techniek die hij gebruikt staat bekend als Very Long Baseline Interferometry (VLBI), die in feite twee of meer telescopen neemt die hetzelfde soort waarnemingen kunnen doen vanaf twee verschillende locaties, en ze aan elkaar koppelt.

Door gelijktijdige waarnemingen te doen, krijg je alleen de lichtverzamelende kracht van de afzonderlijke schotels bij elkaar opgeteld, maar krijg je de resolutie van de afstand tussen de schotels. Door met veel verschillende telescopen (of telescoop-arrays) tegelijkertijd de diameter van de aarde te overbruggen, konden we de gegevens verkrijgen die nodig waren om de waarnemingshorizon op te lossen.

Snelheid is de beperkende factor geweest in EHT-achtige studies. Proto-EHT begon in 2007, en was tot niets in staat van de wetenschap die het nu doet. Dit is een screenshot van een lezing van EHT wetenschapper Avery Broderick.

De datasnelheden waren ongelooflijk:

• Het registreert een golf met een frequentie die overeenkomt met 230 miljard waarnemingen per seconde.
• Dat komt overeen met 8 GB per seconde op elk station.
• Met 8 stations van telescopen/telescoop arrays, krijg je met een uur onafgebroken waarnemen 225 TB aan gegevens.
• Voor een week waarnemen, komt dat neer op 27 PB (petabytes) aan gegevens.

Alles voor één enkel beeld van een zwart gat. Nadat de datamodules voor M87 bij elkaar waren gebracht, had het 5 PB aan ruwe gegevens om mee te werken!

zoals gefotografeerd met de Magelhaense wolken aan de hemel. Een groot aantal schotels dicht bij elkaar, als onderdeel van ALMA, helpt bij het maken van veel van de meest gedetailleerde beelden in gebieden, terwijl een kleiner aantal verder weg geplaatste schotels helpt bij het verscherpen van de details op de helderste locaties. De toevoeging van ALMA aan de Event Horizon Telescope maakte het mogelijk een beeld van de waarnemingshorizon te maken. ESO/C. Malin

En, wat hebben we geleerd? Wel, er zijn een heleboel dingen die we geleerd hebben, en er zullen nog veel verhalen volgen over de verschillende details en nuances die de komende dagen en weken naar buiten komen. Maar er zijn vier grote dingen die iedereen zou moeten kunnen waarderen.

Ten eerste en meest belangrijk, zwarte gaten bestaan echt! Mensen hebben allerlei bizarre plannen en scenario’s bedacht om ze te vermijden, maar het eerste directe beeld van een waarnemingshorizon zou al die twijfels moeten wegnemen. We hebben niet alleen al het indirecte bewijs van LIGO, gravitatiemetingen van banen rond het galactische centrum, en de gegevens van röntgenbinaries, maar we hebben nu ook een direct beeld van de waarnemingshorizon.

Tweede en bijna net zo verbluffend: de Algemene Relativiteit wint weer! Einstein’s theorie voorspelde dat de waarnemingshorizon bolvormig zou zijn, in plaats van afgeplat of prolate, en dat het gebied zonder straling een bepaalde grootte zou hebben, gebaseerd op de gemeten massa van het zwarte gat. De binnenste stabiele cirkelbaan, voorspeld door de Algemene Relativiteit, toont de heldere fotonen die als laatste aan de zwaartekracht van het zwarte gat ontsnappen.

Opnieuw bleek de Algemene Relativiteit, zelfs bij een nieuwe test, ongeslagen!

de Melkweg kan er voor de Event Horizon Telescoop uitzien, afhankelijk van zijn oriëntatie ten opzichte van ons. Bij deze simulaties wordt ervan uitgegaan dat de waarnemingshorizon bestaat, dat de relativiteitsvergelijkingen geldig zijn en dat we de juiste parameters hebben toegepast op ons systeem van belang. Merk op dat dit simulaties zijn die al 10 jaar oud zijn, daterend uit 2009. Wow, wat waren ze goed! Imaging an Event Horizon: submm-VLBI of a Super Massive Black Hole, S. Doeleman et al.

Ten derde kwamen we te weten dat onze simulaties om te voorspellen hoe de radio-emissies rond het zwarte gat eruit zouden moeten zien, echt, echt goed waren! Dit zegt ons dat we niet alleen de omgeving rond zwarte gaten heel goed begrijpen, maar dat we ook de dynamica van materie en gas in een baan rond het zwarte gat begrijpen. Dat is een behoorlijk spectaculaire prestatie!

En ten vierde hebben we geleerd dat de massa van het zwarte gat die we afleiden uit zwaartekrachtwaarnemingen correct is, en dat de massa van het zwarte gat die we afleiden uit röntgenwaarnemingen systematisch te laag is. Voor M87 verschilden deze schattingen met een factor 2; voor Sagittarius A* met een factor 1.5.

We weten nu dat de zwaartekracht de juiste weg is, omdat de 6.6 miljard zonsmassa schattingen uit M87’s zwaartekracht spectaculair overeenkomen met de 6.5 miljard zonsmassa conclusies van de Event Horizon Telescope. Onze röntgenwaarnemingen zijn inderdaad vertekend naar te lage waarden.

superzwaar zwart gat in de kern van de Melkweg. Wanneer deze sterren in het infrarood worden waargenomen, kunnen hun banen worden gevolgd tot op slechts enkele lichtjaren van Sagittarius A*, zodat we een massa voor het centrale zwarte gat kunnen reconstrueren. Vergelijkbare, maar gecompliceerdere, methoden zijn gebruikt om de zwaartekrachtmassa van het zwarte gat in M87 te reconstrueren. Door het centrale zwarte gat in M87 rechtstreeks op te lossen, konden we bevestigen dat de massa’s die uit de zwaartekracht worden afgeleid, overeenkomen met de werkelijke grootte van de waarnemingshorizon, terwijl de röntgenwaarnemingen dat niet doen. S. Sakai / A. Ghez / W.M. Keck Observatory / UCLA Galactic Center Group

Er zullen meer dingen te leren zijn naarmate we verder gaan met onze wetenschappelijke activiteiten met de Event Horizon Telescope. We kunnen leren waarom zwarte gaten uitbarsten, en of er voorbijgaande kenmerken zijn die in de accretieschijf te zien zijn, zoals hete blobs. We kunnen leren of de locatie van een centraal zwart gat in de loop van de tijd verschuift, zodat we het bestaan kunnen afleiden van kleinere, tot nu toe onzichtbare zwarte gaten in de buurt van de superzware, centrale gaten. Naarmate we meer zwarte gaten verzamelen, kunnen we leren of de massa’s die we voor zwarte gaten afleiden uit hun zwaartekrachteffecten of uit hun röntgenstraling, al dan niet universeel vertekend zijn. En we kunnen leren of accretieschijven een universele uitlijning hebben met hun gaststelsels of niet.

De oriëntatie van de accretieschijf face-on (linker twee panelen) of edge-on (rechter twee panelen) kan de manier waarop het zwarte gat op ons overkomt sterk veranderen. We weten nog niet of er een universele uitlijning is of een reeks willekeurige uitlijningen tussen zwarte gaten en accretieschijven. Op weg naar de waarnemingshorizon – het superzware zwarte gat in het galactisch centrum’, Class. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013)

We kunnen deze antwoorden niet weten met alleen onze eerste resultaten, maar dit is nog maar het begin. We leven nu in een wereld waarin we de event horizons van zwarte gaten direct kunnen afbeelden. We weten dat zwarte gaten bestaan; we weten dat waarnemingshorizonten echt zijn; we weten dat Einsteins theorie van de zwaartekracht nu op een geheel ongekende manier is bevestigd. En alle laatste twijfels dat de supermassieve kolossen in de centra van melkwegstelsels werkelijk zwarte gaten zijn, zijn nu verdampt.

Zwarte gaten bestaan echt, en ze zijn spectaculair. Tenminste in het radiogedeelte van het spectrum, dankzij de ongelooflijke prestatie van de Event Horizon Telescope, zien we ze als nooit tevoren.

Volg me op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.