Wetenschap
In april 2017 richtten acht radiotelescopen zich tegelijkertijd op het sterrenstelsel M87. Twee jaar later hebben supercomputers uit die opnamen een foto gegenereerd van een immens groot zwart gat.
De opname van het grootste, allesverslindende hiaat dat de mens ooit heeft gezien, lijkt niet bepaald spectaculair. Een zwarte vlek met een onregelmatige oranje-gele ring eromheen. Dat is de eerste foto die astronomen ooit van een zwart gat hebben gemaakt.
Meer dan honderd jaar geleden beschreef Albert Einstein zwarte gaten. Maar in 1783 opperde John Mitchell aan de universiteit van Cambridge al dat als een ster maar groot genoeg is, hij een dermate sterke aantrekkingskracht kan uitoefenen dat geen enkel object eraan kan ontsnappen en zijn zwaartekracht zelfs de lichtsnelheid overtreft. Einstein schreef dat een dermate grote massa onder het gewicht van zijn eigen zwaartekracht een steeds grotere dichtheid zou krijgen. Bij die massieve gravitatie vormt zich een waarnemingshorizon (event horizon): alles wat zich binnen die grens bevindt, kan niet meer aan de zwaartekracht ontsnappen. Ook het licht niet. Een zwart gat lijkt daardoor vanaf de buitenkant zwart.
Die hoge zwaartekracht heeft ook invloed buiten de waarnemingshorizon. Alle materie in zijn omgeving wordt versneld en extreem verhit. Lichtstralen buigen af en in extreme gevallen worden ze zelfs bijna in een cirkel om de waarnemingshorizon getrokken. Door de gloed van de versnelde materie samen met de afgebogen lichtstralen vormt het zwarte gat een ‘scha
duw’, voorspelde Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie.
De Event Horizon Telescope (EHT) bestaat uit twee telescopen op Hawaii, een in Mexico, een in Arizona, twee in de Andes in Chili, een op Antarctica en een in de Sierra Nevada in het zuiden van Spanje. Alle telescopen waren op een golflengte van 1,3 millimeter ingesteld en gericht op het veronderstelde zwarte gat in het midden van het sterrenstelsel Messier 87 (M87). De opname zelf werd gedurende vier dagen in april 2017 gemaakt. Opzienbarend genoeg waren er op dat moment op alle locaties goede weersomstandigheden.
Elke telescoop van de HTE produceerde ongeveer 350 terabyte aan opnamegegevens per dag. Elke telescoop van de EHT was met een atoomklok uitgerust, om alle opgenomen gegevens van een exacte tijdsstempel te voorzien. De verzamelde gegevens werden vervolgens naar het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn en naar het Haystack Observatorium van de MIT in Massachusetts verzonden: zes kubieke meter aan harde schijven met alle gegevens uit april 2017. Dat duurde nog enige tijd voordat alle schijven op hun plek waren, met name die uit Antarctica lieten even op zich wachten. Na aankomst van de gegevens volgde een complex proces vanwege de zogenaamde ‘Very-long-baseline interferometry’ (VLBI), een methode in de radioastronomie voor metingen met een extreem hoge ruimtelijke resolutie. Deze is onder andere afhankelijk van de grootste afstand tussen de aangesloten telescopen.
Het EHT-netwerk bereikte een resolutiehoek van maximaal 20 microcurve-seconden. Het was mogelijk om met supercomputers de tijdstippen van de telescoopopnamen van vier verschillende continenten
exact te correleren tot een praktisch complete overeenstemming van signaalpieken. Daarbij moest in deze correlatie rekening worden gehouden met de rotatie van de aarde en de afwijkende runtime-verschillen van de deelnemende telescopen en dit op de minuut exact gecorrigeerd worden.
Na bijna twee jaar hadden de supercomputers de foto dan uiteindelijk samengesteld uit de gegevens vanuit de verschillende observatiehoeken: een kiekje van de eerste blik op de schaduw van een zwart gat. M87 ligt op een afstand van 55 miljoen lichtjaar tot de aarde. Het observeren van dat systeem is alsof je vanuit Amsterdam zou proberen een krant te lezen in New York (uitgaande van goed zicht en geen aardkromming die in de weg zit).
De schaduw die op de foto van het HET-project zichtbaar is, heeft een doorsnede van ongeveer 100 miljard kilometer. De foto en de ongelijkmatigheid in de ring van de gloeiendhete materie rondom de donkere waarnemingshorizon komen verrassend exact overeen met de computersimulaties van zwarte gaten. De wetenschappers gaan ervan uit dat de waarnemingshorizon waarschijnlijk 2,5 keer kleiner is dan de geobserveerde schaduw. Dat komt nog steeds neer op een doorsnee van 40 miljard kilometer.
Op basis van deze gegevens zou het zwarte gat in M87 een totale massa hebben van ongeveer 6,5 miljard keer zoveel als onze zon. Wetenschappers verwachten door deze concrete observaties van een zwart gat ook nieuwe inzichten te kunnen vergaren, zoals over de extreme kromming van de ruimtetijd in de nabijheid van zulke astronomische objecten.