Wanneer zwarte gaten zichtbaar worden


Zwarte gaten zijn 'in', en dit zeker niet alleen in tijdschriften over astronomie. Hoe vaak in onze dagdagelijkse gesprekken vallen we niet in het spreekwoordelijke zwarte gat? In sciencefictionfilms spelen zwarte gaten vaak een prominente rol. Nochtans is het idee van zwarte gaten niet nieuw, al hadden ze toen een andere naam.

 

Zwarte gaten in de 18de eeuw

Reeds in 1790 schreef de Franse wiskundige  Pierre-Simon de Laplace dat er misschien sterren bestaan die zo zwaar zijn dat zelfs licht er niet uit zou kunnen ontsnappen, dit volgens de universele zwaartekrachtstheorie van Isaac Newton van honderd jaar daarvoor. Er zouden volgens Laplace bijgevolg sterren kunnen bestaan die wij niet kunnen zien!

Cartoon%20zwart%20gat.jpg

Het zou echter lange tijd bij die schrandere opmerking van Laplace blijven. Men moest wachten op Einstein, voordat het onderwerp terug de aandacht zou wekken in de wetenschappelijke wereld.

 

Gekromde ruimte leidt tot zwarte gaten

Die 'bevroren sterren' - zoals men die vermeende onzichtbare sterren toen noemde - bleken gewoon een rechtstreeks gevolg te zijn van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Al bleek eigenaardig genoeg Einstein zelf geen grote voorstander te zijn van deze vreemde voortvloeisels van zijn theorie, toch werd er gaandeweg meer en meer aandacht aan besteed. Het was uiteindelijk de Amerikaanse natuurkundige John Wheeler die rond 1965 voor het eerst de omschrijving 'zwart gat' gebruikte.  

Een zwart gat kan men definiëren als een gebied in de ruimte waar de zwaartekracht zó sterk is dat alle nabijgelegen materie naar binnen wordt gezogen. Rond een zwart gat bevindt zich een 'waarnemingshorizon', en eenmaal voorbij die grens kan niets nog ontsnappen aan de alles overheersende zwaartekracht. Ook niet het licht. Binnen deze waarnemingshorizon (ook de straal van Schwartzschild genoemd) valt alles onherroepelijk naar het zwart gat. De waarnemingshorizon vormt dus een grens van 'no return'.

 

Zwart%20gat%20en%20event%20horizon.jpg

 

Het is dan ook niet meer dan normaal dat men er lange tijd van overtuigd was dat we zwarte gaten nooit zouden kunnen waarnemen, ze zouden voor ons altijd verborgen objecten blijven.

NN_Hawking_radiation.jpgEen tipje van de sluier werd wel opgelicht in 1974, toen Stephen Hawking aantoonde dat zwarte gaten langzaam kunnen verdampen. Volgens de wetten van de kwantumtheorie ontstaan er immers op de waarnemingshorizon van een zwart gat voortdurend paren van elementaire deeltjes materie en antimaterie. Soms zal één van die deeltjes kunnen ontsnappen uit die kritieke zone. Telkens dit het geval is, ontsnapt er dus een miniem beetje energie dat aan het zwart gat wordt onttrokken. Ten gevolge van deze straling, ook de Hawkingstraling genoemd, is het net alsof het zwart gat beetje bij beetje verdampt. Maar er was toen uiteraard geen sprake van om dit te kunnen waarnemen.   

 

Zwarte gaten worden zichtbaar!

Sinds kort is daar verandering in gekomen: zwarte gaten staan weer een beetje dichter bij onze realiteit. Op 10 april 2019 werd via een internationale en druk bijgewoonde persconferentie aangekondigd dat de eerste waarneming van een zwart gat een feit was. Om het belang van deze ontdekking extra in de verf te zetten werd deze persconferentie gelijktijdig op zes verschillende plaatsen gehouden, met name in Brussel, Washington, Santiago, Sjanghai, Taipei en Tokio.

Maar hoe is dit mogelijk? Is het zien van een onzichtbaar zwart gat niet in flagrante contradictie met de definitie ervan? Dat klopt, en op de persconferentie werd er dan ook duidelijk op gewezen dat men het zwarte gat waarover het ging niet echt rechtstreeks had gezien, maar veeleer de directe omgeving ervan.

 

Niet het zwart gat zelf, maar de schijf eromheen

Rond een zwart gat, net boven de waarnemingshorizon, bevindt zich een ronddraaiende afgeplatte schijf van gassen, plasma en stof. Die deeltjes uit de accretieschijf voeren daar onder invloed van het zwart gat een snel draaiende beweging uit. Naarmate die deeltjes zich dichter bij het zwart gat bevinden, zal hun snelheid onder invloed van de zwaartekracht groter zijn. De verschillende snelheden in de verschillende lagen van de schijf veroorzaken op hun beurt wrijvingen, waardoor ook allerlei elektromagnetische straling gegenereerd wordt zoals röntgenstraling, visueel licht, infrarode- en radiostraling.

Het is die schijf rond het zwart gat waarvan de astronomen nu beelden hebben kunnen maken. Wat men kan waarnemen op de foto hieronder is dus niet het beeld van een zwart gat, maar wel dat van een lichtgevende krans rond het zwart gat. Men ziet dus als het ware een 'schaduw' van het zwart gat. Hoe groter het zwart gat, des te beter men die schaduw zal kunnen waarnemen.

 

20190410-78m-800x466.png
Copyright: Event Horizon Telescope

 

Een technisch hoogstandje

Om op dergelijke reusachtige afstanden voldoend gedetailleerde waarnemingen te kunnen verrichten, moesten astronomen kunnen beschikken over een extreem grote radiotelescoop. Praktisch gezien is het bouwen van een zo grote telescoop extreem moeilijk, zo niet onhaalbaar. Daarom heeft men het over een andere boeg gegooid: acht grote radiotelescopen, verspreid over verschillende continenten, werden onderling verbonden tot één gigantisch netwerk. Op die manier vormden die acht telescopen samen één wereldomvattende grote virtuele radiotelescoop, die de naam Event Horizon Telescope (EHT) kreeg. De acht radiotelescopen waren er eentje in de Verenigde Staten, twee in Chili, twee in Hawaï, één in Mexico, één in Spanje en één op de Zuidpool.

 

EHT_components.jpg
De acht radiotelescopen van de EHT

 

Het is met deze EHT dat men bij een golflengte van 1,3 mm begin april 2017 de succesvolle waarnemingen heeft verricht die nu werden bekend gemaakt. De Event Horizon Telescoop werd op twee zwarte gaten gericht. Het eerste uitgekozen zwart gat was er één op een afstand van 26.000 lichtjaar in het centrum van ons eigen sterrenstelsel. Het tweede zwart gat waarnaar gekeken werd is gelegen in het elliptisch sterrenstelsel M87 op ongeveer 50 miljoen lichtjaar, het heeft ongeveer 6,5 miljard keer zoveel massa als onze Zon. Op de foto is het beeld van de fotonengordel te zien die zich rond het centraal gelegen zwart gat in M87 bevindt.

 

Wordt vervolgd...

Na dit succesvolle en verbluffende resultaat dringen andere uitdagingen zich op, zo gaat dat nu eenmaal in de wetenschap.

Astronomen gaan op zoek naar andere zwarte gaten, en teneinde de algemene relativiteitstheorie van Einstein verder uit te testen, willen ze ook foto’s maken van een nog betere kwaliteit. Er bestaan dan ook plannen om dergelijke waarnemingen van zwarte gaten niet meer met aardse telescopen uit te voeren, maar wel met behulp van satellieten in een baan rond de Aarde. Dit concept hebben ze de naam Event Horizon Imagery (EHI) gegeven. Met waarnemingen vanuit verschillende satellieten zal men in de ruimte grotere afstanden tussen de telescopen kunnen creëren dan op Aarde. Die virtuele telescoop zal bijgevolg veel groter zijn dan nu het geval is met de EHT. Daardoor zullen meer details zichtbaar worden.

 

Bron: Event Horizon Telescope

Tekst: Emiel Beyens

31 mei 2019