Hoe ziet het duistere hart van ons sterrenstelsel eruit? We staan op het punt erachter te komen. Woensdagmiddag om drie uur presenteert het onderzoeksteam achter de Event Horizon Telescope vermoedelijk de allereerste foto van een zwart gat.
De Event Horizon Telescope (EHT) is niet één telescoop, maar een netwerk van telescopen die over de hele wereld staan verspreid. Samen maken ze beelden van zwarte gaten, waaronder het zwarte gat in het midden van de Melkweg.
Het is niet eenvoudig om een zwart gat op de foto te zetten, omdat zulke objecten geen licht uitzenden of weerkaatsen. Dus wat krijgen we woensdag eigenlijk te zien? ‘Ze proberen een foto te maken van de schaduw van het zwarte gat’, zegt sterrenkundige Avi Loeb van de Harvard-universiteit.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Zwarte gaten worden omringd door materiaal dat oplicht zodra het in hun muil valt. Een deel van dit materiaal moet door het zwarte gat zelf worden overschaduwd. ‘Dat verschilt sterk van de schaduw die een normaal ondoorzichtig object opwerpt’, zegt Loeb. ‘Een zwart gat is namelijk niet alleen ondoorzichtig – het trekt licht zelfs naar zich toe. Daardoor zouden we een donkere kern moeten zien, omringd door een strook licht in de vorm van een halve maan.’
De speciale relativiteitstheorie van Albert Einstein voorspelt die halvemaanvorm. De theorie stelt dat materie die naar ons toe beweegt helderder is dan materie die van ons af beweegt. Daarnaast kunnen we volgens Loeb misschien ook de effecten van de immense zwaartekracht van het zwarte gat op de foto zien. Die maakt van het zwarte gat namelijk een zwaartekrachtslens: een object dat passerend licht van achtergrondsterren laat afbuigen.
Wazig beeld
De EHT is gericht op twee zwarte gaten – de grootste twee, gezien vanaf de aarde. De eerste is Sagittarius A*, het superzware zwarte gat in het midden van de Melkweg. De tweede is een nog groter zwart gat in het midden van M87, een stelsel in het sterrenbeeld Maagd.
Ondanks de grootte van de zwarte gaten zullen de beelden van de EHT extreem klein zijn. Heino Falcke, hoogleraar radioastronomie aan de Radboud Universiteit Nijmegen, is voorzitter van de EHT Science Council. Volgens hem heeft de schaduw van Sagittarius A* naar verwachting een breedte van zo’n 50 microboogseconden. Ter vergelijking: 1 microboogseconde komt ongeveer overeen met de breedte van de punt aan het eind van deze zin, maar dan gezien vanaf de maan.
Falcke stelt bovendien dat de EHT op zijn best een resolutie heeft van 20 microboogseconden. Daardoor zullen we een heel wazig beeld van de twee zwarte gaten te zien krijgen. Het zal helaas niet in de buurt komen van de artistieke weergaven die je ziet in films zoals Interstellar, of in onderstaande simulatie van de Japanse onderzoeker Hotaka Shiokawa.
‘Hoe groot zwarte gaten ook mogen zijn, met name de superzware exemplaren, aan de hemel zijn ze eigenlijk heel klein’, zegt astrofysicus Dan Marrone, ook werkzaam bij de EHT. ‘Daarom hebben we een telescoop nodig die even groot is als de aarde.’
Razende jets
Om die reden is de EHT niet zomaar een enkele telescoop. Hij is opgebouwd uit wereldwijd verspreide telescopen die zodanig op elkaar zijn afgestemd dat ze tegelijkertijd waarnemingen in hetzelfde golflengtegebied verrichten. De gegevens die nu worden onthuld, zijn afkomstig van metingen die radiotelescopen in de VS, Chili, Spanje, Mexico en Antarctica in 2017 deden.
De beelden en gegevens die deze gezamenlijke inspanning oplevert, helpen grote vragen in de fysica te beantwoorden. Het eerste beeld van de omgeving van een zwart gat kan bijvoorbeeld laten zien in hoeverre de huidige theorieën over de structuur van zwarte gaten correct zijn. ‘Sinds de vroege jaren ’70 proberen wetenschappers te modelleren hoe gas rond een zwart gat samenklontert. Daarover is nog steeds een hoop onduidelijkheid’, zegt Loeb.
De magnetische velden rond een zwart gat zijn bijvoorbeeld nog niet goed beschreven. Die velden spelen mogelijk een rol bij de vorming van jets: stromen van geladen deeltjes en straling die uit zwarte gaten zoals M87 knallen en bijna met de lichtsnelheid door het heelal razen. Deze jets ontstaan in de materieschijf rond het zwarte gat, maar we weten niet precies hoe dat gebeurt.
Prestatie van formaat
Daarnaast zullen we misschien beter kunnen inschatten in hoeverre zwarte gaten zich houden aan Einsteins algemene relativiteitstheorie. Daarvoor moeten we kijken naar de gebeurtenissenhorizon rond de zwarte gaten. Dat gebied kun je zien als de frontlinie van de strijd tussen de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie. Die twee theorieën zijn het namelijk niet eens over wat daar daadwerkelijk gebeurt.
Het is echter onwaarschijnlijk dat de nieuwe gegevens hier veel inzicht in zullen bieden. Het licht dat de EHT meet, komt namelijk niet van de gebeurtenissenhorizon, maar van iets verder bij het zwarte gat vandaan. Licht dat van de horizon komt, wordt door het zwarte gat opgeslokt.
Ook als het geen verrassingen oplevert, is de eerste foto van een zwart gat volgens Loeb een prestatie van formaat. ‘We hebben de algemene relativiteitstheorie in een dergelijke omgeving al getest via zwaartekrachtsgolven. De resultaten daarvan kwamen vrij goed overeen met wat we verwachtten’, zegt hij. ‘Maar in dit geval zullen we het echt zien. En eerst zien, dan geloven.’
