De volgende foto van een zwart gat wordt een filmpje

De foto en de toekomst In april presenteerde een internationaal team van astronomen de eerste ‘foto’ van een zwart gat – of beter gezegd: diens ‘schaduw’. Twee betrokkenen blikken terug op die gebeurtenis en vooruit op wat nog komen gaat. Om betere opnamen van superzware zwarte gaten te kunnen maken, moet er nog heel wat gebeuren.

James Clerk Maxwell Telescoop, Hawaï
James Clerk Maxwell Telescoop, Hawaï Foto IStock / WikiMedia

Een dag vol stress”, zo herinnert Monika Moscibrodzka zich de dag van de triomfantelijke presentatie van de allereerste foto van een zwart gat, 10 april. „Ik wilde alleen maar dat het allemaal voorbij was en dat we eindelijk openlijk over ons resultaat konden gaan praten. We hebben het heel lang – vanaf juni 2018 – geheim moeten houden.”

Lees ook het andere deel van dit tweeluik: Zwarte gaten? Einstein geloofde er niks van

Dat op de bewuste dag niet een afbeelding van het zwarte gat in het centrum van ons eigen Melkwegstelsel werd gepresenteerd, maar van het veel massarijkere zwarte gat in het ruim 50 miljoen lichtjaar verre sterrenstelsel M87, kwam voor velen als een verrassing. Is ons ‘eigen’, veel nabijere zwarte gat niet veel makkelijker waarneembaar?

Dat lijkt een voor de hand liggende veronderstelling, maar zo makkelijk ligt het niet. Sagittarius A* of Sgr A* – het zwarte gat in het Melkwegcentrum – gedraagt zich namelijk heel wispelturig, terwijl dat in M87 – M87* genoemd – nogal statisch is. „Van iets dat in de loop van de dag niet verandert kun je veel gemakkelijker een opname maken”, zegt Moscibrodzka. „Sagittarius A* is duizend keer kleiner en varieert daardoor duizend keer sneller – op tijdschalen van enkele minuten.”

Toch zijn ook van Sgr A* beelden in de maak: „De data die we van dit object hebben zijn net zo goed als die van M87*, maar we kunnen op Sagittarius A* niet dezelfde methode toepassen die we voor M87* hebben gebruikt. We moeten geraffineerder te werk gaan: in plaats van een stilstaand beeld, moeten we een filmpje maken.”

Verspreid over continenten

Dat heeft te maken met de wijze waarop opnamen als deze tot stand komen. Daarbij wordt gebruikgemaakt van een netwerk van radiotelescopen die verspreid over verschillende continenten staan opgesteld. Deze Event Horizon Telescope (EHT) kan een beeldscherpte bereiken die overeenkomt met die van een virtuele radiotelescoop ter grootte van de aarde. Maar dan moeten wel alle telescopen tegelijkertijd en langdurig op hetzelfde object worden gericht. De draaiing van de aarde doet de rest.

„Onze virtuele telescoop is niet compleet. Er zitten grote gaten in, en die worden gevuld doordat de radiotelescopen meedraaien met de aarde”, legt Moscibrodzka uit. „Bij statische beelden is dat tot daaraan toe, maar als je een filmpje wilt maken van een object dat voortdurend verandert, vereist dat een meer geavanceerde aanpak. En daar wordt nu hard aan gewerkt.”

Zowel de onlangs gepubliceerde data van M87* als de nog ongepubliceerde van Sgr A* zijn al in 2017 verzameld. Er zit wel een verschil tussen: M87 is niet waarneembaar vanaf de Zuidpool, waar een van de deelnemende radiotelescopen staat. Dat betekent dat voor Sgr A* meer data beschikbaar zijn. Ook dat maakt dat de verwerking van de gegevens langer duurt. Van beide zwarte gaten zijn in 2018 eveneens waarnemingen gedaan en die moeten in 2020 een vervolg krijgen. Dan doen nog minstens drie andere radiotelescopen mee.

Hoe meer radiotelescopen er aan het EHT-project deelnemen, des te beter worden de beelden. Vandaar ook dat de Radboud Universiteit het initiatief genomen heeft om voor dit doel een radiotelescoop te stationeren in Namibië. Daartoe moet de in 2003 buiten bedrijf gestelde Swedish-ESO Submillimeter Telescope vanuit Chili worden overgebracht. Dit instrument, dat wordt omgedoopt tot Africa Millimetre Telescope, kan een groot gat in de EHT-data opvullen.

Dat laat onverlet dat M87* en Sgr A* voorlopig de enige superzware zwarte gaten zijn die met de EHT in beeld kunnen worden gebracht. En zelfs dat was niet vanzelfsprekend. Het zwarte gat in M87 bleek 6,5 miljard keer zoveel massa te hebben als de zon – ruim twee keer zoveel als de meest pessimistische schattingen. Was die massa fors lager uitgevallen, dan zou de resolutie van de EHT tekort zijn geschoten.

Naar de ruimte

„Bovendien is de grootte niet de enige voorwaarde waaraan een zwart gat moet voldoen om waarneembaar te zijn”, zegt Moscibrodzka. „Het object mag ook niet te helder zijn. M87* en Sagittarius A* zijn in dat opzicht vrij bijzonder: om de een of andere reden slokken ze momenteel weinig materie op. Voor ons is dat gunstig: als er meer materie naartoe zou stromen, zouden deze zwarte gaten door zoveel gas omgeven zijn dat hun donkere schaduw niet eens te zien zou zijn.”

Om nog meer superzware zwarte gaten te kunnen bekijken, moet de resolutie van de EHT flink worden opgevoerd. Dat kan op twee manieren: door de radiotelescopen op een hogere frequentie af te stemmen of door radiotelescopen in de ruimte te stationeren. Met dat eerste is al geëxperimenteerd: er zijn succesvolle proeven gedaan met het EHT-netwerk op 345 gigahertz in plaats van 230 gigahertz. Dat levert een 50 procent hogere resolutie op, wat voor M87* en SgrA* heel significant is, maar geen andere superzware zwarte gaten binnen het bereik van de EHT brengt.

South Pole Telescope (rechts), Zuidpool
Foto iStock
Submillimeter Telescope, Arizona (VS)
Submillimeter Array,
Hawaï (VS)

Foto iStock
Large Millimeter Alfonso Serano, Mexico
IRAM 30m telescoop, Spanje
James Clerk Maxwell Telescoop, Hawaï
Foto IStock / WikiMedia
APEX,
Chili
Atacama Large Millimeter Array, Chili
Deelnemers aan het netwerk van radiotelescopen die samen Event Horizon Telescope vormen, waarmee de zwartegatfoto werd gemaakt.
Foto’s iStock, WikiMedia

Op naar de ruimte dan? „Dat zou inderdaad de volgende stap kunnen zijn”, zegt Moscibrodzka. „Dan heb je niet alleen een grotere basislijn, en daarmee ook een hogere resolutie, en heb je bovendien geen last meer van de aardatmosfeer. Maar deze mogelijkheid bevindt zich echt nog in de conceptfase – de uitvoering ervan zal nog decennia op zich laten wachten.”

In een recente publicatie in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics heeft een team onder leiding van Freek Roelofs, promovendus aan de Radboud Universiteit, met behulp van computersimulaties laten zien wat een uitbreiding naar de ruimte, die de Event Horizon Imager wordt genoemd, zou opleveren. Met behulp van twee of drie radiotelescopen in een baan om de aarde kunnen vijf keer zo scherpe beelden worden gemaakt. Naast Sgr A* en M87* zouden dan nog eens vijf superzware zwarte gaten in beeld kunnen worden gebracht.

Veel lagere temperaturen

Ruim honderd kilometer verderop, in Dwingeloo, uit Huib Jan van Langevelde zijn verbazing dat het plaatje van M87* overeind is gebleven in de media. „Zelf was ik er niet zo blij mee dat we hebben besloten om het oranje te maken”, zegt hij. „Ik had voor blauw met wit gekozen, want nu heeft het plaatje veel weg van een afbeelding van een stofschijf rond een ster.” Deze laatste hebben veel lagere temperaturen dan de accretieschijven rond zwarte gaten.

Ook hij vindt het jammer dat het nog niet is gelukt om een afbeelding van Sagittarius A* te maken. „In het geval van M87 weten we heel nauwkeurig wat de oriëntatie van het zwarte gat en de omringende accretieschijf is. Dat is vanwege de jet, een bundel van energierijke deeltjes, die deze uitstoot. Daar staat tegenover dat zijn afstand en aanvankelijk ook zijn massa niet zo goed bekend was. Van het zwarte gat in het Melkwegcentrum kennen we de afstand en massa juist heel nauwkeurig. Als je van dat zwarte gat de schaduw kunt zien, is dat veel leuker dan van M87*, want dan kun je er veel meer aan rekenen.”

Wel denkt van Van Langevelde dat het grote succes van de afbeelding van M87* – „een disproportionele klapper” – heel nuttig kan zijn bij de verdere verwerking van de gegevens van Sagittarius A*. „We hebben nu veel meer vertrouwen in de kalibratie, we hebben de software verfijnd, dus dat helpt zeker”, zegt hij.

Nobelprijs of niet

Zou het project zonder de gunstige eigenschappen van M87* nu dik in de problemen zitten? „…nou, dat vind ik een beetje overdreven”, zegt Van Langevelde een beetje aarzelend. „Het had wel langer geduurd en was misschien minder overtuigend geweest. Maar het is ook geen voetbalwedstrijd…”

Het mag geen voetbalwedstrijd zijn, in de wandelgangen wordt gesuggereerd dat de EHT-resultaten wel eens met een Nobelprijs beloond zouden kunnen worden. Speelt dat nog een rol binnen de samenwerking? Van Langevelde: „Je moet je realiseren dat dit een gecompliceerd project is met vele leiders. Misschien past de Nobelprijs niet meer goed bij de omvangrijke onderzoeksteams van tegenwoordig.”

Hoe kan het dat elk sterrenstelsel een zwaar zwart gat in zijn centrum heeft?

Huib Jan van Langevelde

Nobelprijs of niet, uiteindelijk gaat het om de wetenschap die het project oplevert, en die bestaat uit méér dan een plaatje. Wat drijft de 200 wetenschappers die eraan deelnemen? „Dat verschilt natuurlijk per deelnemer”, antwoordt Van Langevelde. „Ikzelf ben bijvoorbeeld geïnteresseerd in de vraag hoe het kan dat elk sterrenstelsel een zwaar zwart gat in zijn centrum heeft. We weten niet hoe die daar komen. Dat zware zwarte gat in M87 moet over de leeftijd van het heelal bijna een zonsmassa aan materie per jaar hebben opgeslokt. Dat doet het nu misschien wel, maar het is moeilijk voorstelbaar dat dit altijd zo is geweest. Zijn er bij de oerknal misschien al forse zwarte gaten ontstaan? Of bij het ineenstorten van de eerste generatie van zware sterren? Een manier om daar achter te komen, is door te onderzoeken of superzware zwarte gaten roteren, en zo ja hoe snel. Grofweg geldt dan dat zwarte gaten sneller roteren naarmate ze meer sterren hebben opgeslokt. Maar om dat te kunnen vaststellen heb je statistieken van een heel stel van die zwarte gaten nodig.”

Een ander vraagstuk is of de algemene relativiteitstheorie van Einstein ‘breekt’ in de buurt van zo’n superzwaar zwart gat. „Heel veel mensen binnen het consortium waren een beetje teleurgesteld dat het beeld van M87* zo goed overeenkwam met de verwachtingen”, zegt Van Langevelde. „Einstein heeft dus weer geen ongelijk. Maar je wilt niet weten hoeveel papers er nu al zijn geschreven over exotische theorieën die al dan niet nog steeds bij deze waarnemingen kunnen passen.”

Opzienbarende persberichten

„Heel interessant is ook of we nu kunnen gaan begrijpen hoe de ‘radiojets’ van superzware zwarte gaten worden aangedreven. Er zijn modellen die zeggen dat ze hun energie ontlenen aan de rotatie van het zwarte gat, maar of dat ook echt zo is, is nog onduidelijk.”

Los van het al dan niet doorgaan van de ruimteplannen van de EHT, is Van Langevelde optimistisch over de komende jaren. „Zelfs als we niets meer verbouwen aan de huidige telescopen, kun je nog wel vier of vijf opzienbarende persberichten verwachten. Niet noodzakelijkerwijs volgend jaar al, maar de EHT heeft echt een nieuwe tak van sport geopend. Van drie waarneemsessies van een week heeft het publiek nu de resultaten van vier dagen gezien. Er zit dus nog heel wat in het vat. Op dit moment wordt vooral heel hard gewerkt aan de software waarmee de data van Sagittarius A* worden verwerkt.”

Luister ook naar deze aflevering van onze podcastserie NRC Onbehaarde Apen: Wat weten we echt over zwarte gaten?
U kunt zich ook abonneren via Apple Podcasts, Stitcher, Spotify, Castbox of RSS.