Het idee van zwarte gaten dateert uit 1783, toen de Cambridge-wetenschapper John Michell zich realiseerde dat een voldoende massief object in een ruimte die klein genoeg is, zelfs licht kan aantrekken zonder het te laten ontsnappen. Meer dan een eeuw later vond Karl Schwarzschild een exacte oplossing voor Einsteins algemene relativiteitstheorie, die hetzelfde resultaat voorspelde: een zwart gat. Zowel Michell als Schwarzschild voorspelden een duidelijk verband tussen de waarnemingshorizon, of de straal van het gebied waaruit licht niet kan ontsnappen, en de massa van het zwarte gat.
103 jaar na de voorspelling van Schwarzschild kon deze niet worden geverifieerd. En pas op 10 april 2019 ontdekten wetenschappers de allereerste foto van de waarnemingshorizon. Einsteins theorie werkte weer, zoals altijd.
Hoewel we al heel wat wisten over zwarte gaten, zelfs vóór de eerste momentopname van de waarnemingshorizon, veranderde en verduidelijkte het veel. We hadden veel vragen die nu antwoord hebben.
Op 10 april 2019 presenteerde de Event Horizon Telescope-samenwerking de eerste succesvolle momentopname van de gebeurtenishorizon van het zwarte gat. Dit zwarte gat bevindt zich in Messier 87: het grootste en meest massieve sterrenstelsel in onze lokale supercluster van sterrenstelsels. De hoekdiameter van de waarnemingshorizon was 42 microboogseconden. Dit betekent dat er 23 biljard zwarte gaten van dezelfde grootte nodig zijn om de hele lucht te bedekken.
Op 55 miljoen lichtjaar afstand is de geschatte massa van het zwarte gat 6,5 miljard keer die van de zon. Fysiek komt dit overeen met een grootte die groter is dan de grootte van Pluto's baan om de zon. Als er geen zwart gat was, zou er ongeveer een dag licht nodig zijn om door de diameter van de waarnemingshorizon te gaan. En alleen omdat:
- de telescoop van de waarnemingshorizon heeft voldoende resolutie om dit zwarte gat te zien
- zwart gat zendt sterk radiogolven uit
- zeer weinig radiogolven op de achtergrond die het signaal verstoren
we hebben deze eerste opname kunnen maken. Waarvan we nu tien diepgaande lessen hebben geleerd.
Promotie video:
We hebben geleerd hoe een zwart gat eruitziet. Wat is het volgende?
Dit is echt een zwart gat, zoals voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Als je ooit een artikel hebt gezien met de titel 'theoreticus beweert stoutmoedig dat zwarte gaten niet bestaan' of 'deze nieuwe zwaartekrachtstheorie zou Einstein kunnen veranderen', denk je dat natuurkundigen er geen probleem mee hebben om met alternatieve theorieën te komen. Hoewel de algemene relativiteitstheorie alle tests heeft doorstaan, hebben natuurkundigen geen tekort aan uitbreidingen, vervangingen of mogelijke alternatieven.
En het observeren van een zwart gat sluit een groot aantal van hen uit. We weten nu dat dit een zwart gat is, geen wormgat. We weten dat de waarnemingshorizon bestaat en dat dit geen naakte singulariteit is. We weten dat de waarnemingshorizon geen vast oppervlak is, aangezien de vallende materie een infrarode signatuur moet afgeven. En al deze observaties zijn consistent met de algemene relativiteitstheorie.
Deze waarneming zegt echter niets over donkere materie, de meest gemodificeerde theorieën over zwaartekracht, kwantumzwaartekracht of wat er achter de waarnemingshorizon ligt. Deze ideeën vallen buiten het bestek van de observaties van de EHT.
De zwaartekrachtdynamica van sterren geeft goede schattingen voor de massa van een zwart gat; gaswaarneming - nr. Vóór de eerste opname van een zwart gat hadden we verschillende manieren om de massa zwarte gaten te meten.
We zouden ofwel metingen van sterren kunnen gebruiken - zoals de individuele banen van sterren nabij een zwart gat in ons eigen melkwegstelsel, of absorptielijnen van sterren in M 87 - die ons zwaartekrachtmassa gaven, of emissies van gas dat rond het centrale zwarte gat beweegt.
Voor zowel ons melkwegstelsel als M87 waren deze twee schattingen heel verschillend: schattingen van de zwaartekracht waren 50-90% hoger dan die van gasvormige. Voor M87 toonden gasmetingen aan dat het zwarte gat 3,5 miljard zonnen heeft, en zwaartekrachtmetingen waren dichter bij 6,2 - 6,6 miljard, maar de EHT-resultaten toonden aan dat het zwarte gat 6,5 miljard zonsmassa's heeft, wat betekent dat is de zwaartekrachtdynamica een uitstekende indicator voor de massa van zwarte gaten, maar de gasconclusies verschuiven naar lagere waarden. Dit is een geweldige kans om onze astrofysische aannames over orbitaal gas opnieuw te bekijken.
Het zou een draaiend zwart gat moeten zijn, en zijn rotatieas wijst weg van de aarde. Door waarnemingen van de waarnemingshorizon, radio-emissies eromheen, een grootschalige jet en uitgebreide radio-emissies gemeten door andere observatoria, heeft de EHT vastgesteld dat het een Kerr-zwart gat is (roterend), niet een Schwarzschild-zwart gat (niet roterend).
Er is geen enkel eenvoudig kenmerk van een zwart gat dat we zouden kunnen bestuderen om deze aard te bepalen. In plaats daarvan moeten we modellen bouwen van het zwarte gat zelf en de materie daarbuiten, en ze vervolgens ontwikkelen om te begrijpen wat er gebeurt. Wanneer u op zoek gaat naar mogelijke signalen die naar voren kunnen komen, krijgt u de mogelijkheid om deze te beperken zodat ze consistent zijn met uw resultaten. Dit zwarte gat zou moeten draaien en de rotatieas wijst vanaf de aarde op ongeveer 17 graden.
We konden eindelijk vaststellen dat er materiaal rond het zwarte gat zit, dat overeenkomt met aanwasschijven en beken. We wisten al dat de M87 een jet had - van optische waarnemingen - en dat deze ook uitzond in het radio- en röntgenbereik. Dit soort straling kan niet alleen worden verkregen uit sterren of fotonen: je hebt zowel materie nodig als elektronen. Alleen door elektronen in een magnetisch veld te versnellen, kunnen we de karakteristieke radio-emissie krijgen die we zagen: synchrotronstraling.
En het kostte ook ongelooflijk veel modellenwerk. Door alle mogelijke parameters van alle mogelijke modellen aan te passen, leert u dat deze waarnemingen niet alleen accretiestromen vereisen om de radioresultaten te verklaren, maar ook noodzakelijkerwijs niet-radiogolfresultaten voorspellen, zoals röntgenfoto's. De belangrijkste waarnemingen zijn niet alleen gedaan door de EHT, maar ook door andere observatoria zoals de Chandra röntgentelescoop. Accretiefluxen zouden moeten opwarmen, zoals blijkt uit het spectrum van de magnetische emissies van M87, in overeenstemming met relativistische versnellende elektronen in een magnetisch veld.
De zichtbare ring toont de zwaartekracht en gravitatielenzen rond het centrale zwarte gat; en opnieuw werd de algemene relativiteitstheorie getest. Deze ring in het radiobereik komt niet overeen met de waarnemingshorizon zelf en komt niet overeen met de ring van roterende deeltjes. En het is ook niet de meest stabiele cirkelvormige baan van een zwart gat. Nee, deze ring komt voort uit een bol van fotonen met zwaartekrachtlenzen waarvan de paden worden gebogen door de zwaartekracht van het zwarte gat op weg naar onze ogen.
Dit licht buigt in een grotere bol dan je zou verwachten als de zwaartekracht niet zo sterk zou zijn. Zoals de Event Horizon Telescope Collaboration schrijft:
"We ontdekten dat meer dan 50% van de totale flux in boogseconden nabij de horizon passeert en dat deze straling scherp wordt onderdrukt wanneer deze dit gebied binnenkomt, met een factor 10, wat een direct bewijs is van de voorspelde schaduw van een zwart gat."
Einsteins algemene relativiteitstheorie bleek opnieuw correct te zijn.
Zwarte gaten zijn dynamische verschijnselen, hun straling verandert met de tijd. Met een massa van 6,5 miljard zonnen zal er ongeveer een dag licht nodig zijn om de waarnemingshorizon van het zwarte gat te doorkruisen. Dit geeft ruwweg het tijdsbestek aan waarin we veranderingen en fluctuaties in de emissie die door de EHT worden waargenomen, kunnen verwachten.
Zelfs waarnemingen die enkele dagen duurden, lieten ons toe te bevestigen dat de structuur van de uitgezonden straling in de loop van de tijd verandert, zoals voorspeld. De gegevens van 2017 bevatten vier nachten met observaties. Zelfs als je naar deze vier afbeeldingen kijkt, kun je visueel zien dat de eerste twee vergelijkbare kenmerken hebben en de laatste twee, maar er zijn aanzienlijke verschillen tussen de eerste en de laatste. Met andere woorden, de eigenschappen van straling rond een zwart gat in M87 veranderen in de loop van de tijd.
EHT zal in de toekomst de fysieke oorsprong van uitbarstingen van zwarte gaten onthullen. We hebben zowel in röntgen- als radiobanden gezien dat een zwart gat in het centrum van onze eigen Melkweg korte uitbarstingen van straling uitzendt. Hoewel de allereerste afbeelding van een zwart gat een superzwaar object in M 87 liet zien, zal het zwarte gat in ons sterrenstelsel - Boogschutter A * - net zo groot zijn en alleen sneller veranderen.
Vergeleken met de massa van M87 - 6,5 miljard zonsmassa's - zal de massa van Boogschutter A * slechts 4 miljoen zonsmassa's bedragen: 0,06% van de eerste. Dit betekent dat schommelingen niet meer overdag, maar zelfs binnen één minuut worden waargenomen. De kenmerken van het zwarte gat zullen snel veranderen en als er een uitbraak plaatsvindt, kunnen we de aard ervan onthullen.
Hoe verhouden de fakkels zich tot de temperatuur en helderheid van het radiobeeld dat we hebben gezien? Is er een magnetische herverbinding, zoals bij de coronale massa-ejecties van onze zon? Barst er iets in de aanwasstromen? Boogschutter A * knippert dagelijks, dus we kunnen alle noodzakelijke signalen aan deze gebeurtenissen koppelen. Als onze modellen en waarnemingen net zo goed zijn als voor M87, kunnen we misschien bepalen wat deze gebeurtenissen aandrijft en misschien zelfs weten wat er in het zwarte gat valt en ze creëert.
Er zullen polarisatiegegevens verschijnen die uitwijzen of zwarte gaten een eigen magnetisch veld hebben. Hoewel we allemaal absoluut blij waren om de eerste momentopname van de waarnemingshorizon van een zwart gat te zien, is het belangrijk om te begrijpen dat er binnenkort een volledig uniek beeld zal verschijnen: de polarisatie van licht dat uit een zwart gat komt. Vanwege de elektromagnetische aard van licht, zal de interactie met het magnetische veld er een bepaalde polarisatiesignatuur op afdrukken, waardoor we het magnetische veld van het zwarte gat kunnen reconstrueren, evenals hoe het in de loop van de tijd verandert.
We weten dat materie buiten de waarnemingshorizon, in wezen bewegende geladen deeltjes (zoals elektronen), zijn eigen magnetische veld opwekt. Modellen geven aan dat veldlijnen ofwel in aanwasstromen kunnen blijven, ofwel door de waarnemingshorizon kunnen gaan en een soort "anker" in het zwarte gat vormen. Er is een verband tussen deze magnetische velden, aangroei en de groei van zwarte gaten, en jets. Zonder deze velden zouden materie in aanwasstromen geen impulsmoment kunnen verliezen en in de waarnemingshorizon vallen.
Polarisatiegegevens, dankzij de kracht van polarimetrische beeldvorming, zullen ons hierover vertellen. We hebben de gegevens al: het blijft om een volledige analyse uit te voeren.
De verbetering van de Event Horizon Telescope zal de aanwezigheid van andere zwarte gaten nabij galactische centra onthullen. Wanneer een planeet om de zon draait, is dat niet alleen te wijten aan het feit dat de zon een zwaartekrachteffect op de planeet heeft. Er is altijd een gelijke en tegengestelde reactie: de planeet beïnvloedt de zon. Evenzo, wanneer een object in een baan om een zwart gat draait, oefent het ook zwaartekracht uit op het zwarte gat. In de aanwezigheid van een hele reeks massa's nabij de centra van sterrenstelsels - en, in theorie, vele onzichtbare zwarte gaten tot nu toe - zou het centrale zwarte gat letterlijk op zijn plaats moeten trillen, uit elkaar getrokken door de Brownse beweging van de omringende lichamen.
De truc om deze meting vandaag uit te voeren, is dat je een referentiepunt nodig hebt om je positie te kalibreren ten opzichte van de locatie van het zwarte gat. De techniek voor een dergelijke meting gaat ervan uit dat je naar de kalibrator kijkt, dan naar de bron, weer naar de kalibrator, weer naar de bron, enzovoort. Tegelijkertijd moet je je blik heel snel bewegen. Helaas verandert de sfeer erg snel, en kan er veel veranderen in 1 seconde, dus je hebt simpelweg geen tijd om twee objecten te vergelijken. In ieder geval niet met moderne technologie.
Maar de technologie op dit gebied ontwikkelt zich ongelooflijk snel. De tools die op de EHT worden gebruikt, wachten op updates en kunnen mogelijk halverwege de jaren 2020 de vereiste snelheid bereiken. Deze puzzel zou tegen het einde van het volgende decennium kunnen worden opgelost dankzij verbeterde instrumenten.
Ten slotte zal Event Horizon Telescope uiteindelijk honderden zwarte gaten zien. Om een zwart gat te demonteren, moet de resolutie van de telescooparray beter zijn (d.w.z. een hoge resolutie) dan de grootte van het object dat u zoekt. Momenteel kan de EHT slechts drie bekende zwarte gaten in het heelal onderscheiden met een voldoende grote diameter: Boogschutter A *, het centrum van M87, het centrum van het sterrenstelsel NGC 1277.
Maar we kunnen de kracht van het oog van de Event Horizon-telescoop vergroten tot de grootte van de aarde als we de telescopen in een baan om de aarde lanceren. In theorie is dit al technisch haalbaar. De toename van het aantal telescopen verhoogt het aantal en de frequentie van waarnemingen, evenals de resolutie.
Door de nodige verbeteringen aan te brengen, zullen we in plaats van 2-3 sterrenstelsels honderden zwarte gaten of zelfs meer kunnen vinden. De toekomst van fotoalbums met zwarte gaten ziet er rooskleurig uit.
Het Event Horizon Telescope-project was duur, maar het loonde. Vandaag leven we in het tijdperk van de astronomie van zwarte gaten en hebben we ze eindelijk met onze eigen ogen kunnen observeren. Dit is nog maar het begin.
Ilya Khel
