In het centrum van een melkweg genaamd Messier 87, ongeveer 55 miljoen lichtjaar verwijderd, waar alle materie van de melkweg om draait, ligt een monster: een superzwaar zwart gat. Met ongeveer 6, 5 miljard keer de massa van de zon is het zwarte gat in het midden van M87 zo dicht dat zijn ontsnappingssnelheid, of de snelheid die nodig is om aan de zwaartekracht van het object te ontsnappen, meer is dan de snelheid van het licht. Dienovereenkomstig kunnen zelfs fotonen van licht niet ontsnappen als ze te dichtbij dwalen.
Maar laat je niet misleiden door de naam 'zwart gat'. "In een soort van paradox van de natuur zijn zwarte gaten, die geen licht laten ontsnappen, enkele van de helderste objecten in het universum, " zegt Shep Doeleman, een senior onderzoeker bij het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en de directeur van het Event Horizon Telescope (EHT) -project, een internationale inspanning om rechtstreeks een superzwaar zwart gat met telescopen over de hele wereld in beeld te brengen.
Vandaag heeft het EHT-project, inclusief acht observatoria en meer dan 60 wetenschappelijke instellingen in meer dan 20 landen, het eerste beeld van een zwart gat vrijgegeven. "Dit is de eerste keer dat ik dit beeld op dit moment zie", zegt France Córdova, de directeur van de National Science Foundation (NSF), tijdens een persconferentie in de National Press Club. “En het bracht tranen in mijn ogen. Dit is een heel groot probleem. "
Zes wetenschappelijke artikelen werden vandaag ook gepubliceerd in het Astrophysical Journal, waarin de eerste directe waarnemingen van een zwart gat worden beschreven.
Hoewel licht niet uit een zwart gat zelf kan ontsnappen, omringt een soort rand elk zwart gat, bekend als de gebeurtenishorizon. Elke kwestie die voorbij de evenementhorizon dwaalt, wordt geconsumeerd door het zwarte gat, maar terwijl gassen zich net buiten de evenementhorizon ophopen, worden ze tot honderden miljarden graden verwarmd en zenden een enorme hoeveelheid straling uit over de melkweg. De evenementenhorizon rond het zwarte gat van de M87 is ongeveer 1, 5 lichtdagen over of ongeveer 40 miljard kilometer, ongeveer even groot als ons zonnestelsel.
“Wat je verwacht als je een superzwaar zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel ziet, en we denken dat ze in het centrum van de meeste sterrenstelsels bestaan, is dat de intense zwaartekracht het gas in de buurt naar het zwarte gat trekt en het verwarmt omhoog, "zegt Doeleman. "Je probeert veel gas samen te persen tot het kleinste volume dat je je kunt voorstellen ... en al dat heel erg hete gas straalt [licht] uit."
Na jarenlange planning door meer dan 200 internationale wetenschappers, zijn de gegevens die het eerste beeld van een zwart gat ooit hebben getoond klaar. Het team verzamelt zich voor de grote onthulling - het is een seismisch moment in de astrofysica.De waarnemingen van het zwarte gat in het midden van M87 onthullen dat het met de klok mee draait. Onderaan het beeld, waar de lichtring helderder is, beweegt de rotatie van het zwarte gat naar ons toe, terwijl het deel van de ring bovenaan het beeld weg beweegt.
Het maken van een foto van het brandende gas rond de evenementenhorizon van een zwart gat, dat astronomen de 'schaduw' of het 'silhouet' van het zwarte gat noemen, is geen gemakkelijke taak gebleken. Het zwarte gat van de M87 bevindt zich in het centrum van de Melkweg, gehuld achter heldere sterren en grote zwaden gas en stof. Om de fotonen van het licht te vangen die erin slagen te ontsnappen aan de zwaartekrachtput van het superzware zwarte gat, aangetrokken in de richting van de gebeurtenishorizon alvorens 55 miljoen lichtjaar door M87 en over de intergalactische ruimte naar de aarde te vliegen, hebben astronomen enkele van de meest krachtige radio met elkaar verbonden telescopen die ooit zijn gebouwd om in zekere zin een telescoop te bouwen ter grootte van de aarde.
"Er is een speciaal veld met de naam Very Long Baseline Interferometry, waarin u radiostations over de hele wereld aan elkaar koppelt en u extreem hoge vergrotingen krijgt", zegt Doeleman. Radioastronomie-observatoria, van de Zuidpool-telescoop tot de Groenland-telescoop, hebben waarnemingen aan EHT bijgedragen of zullen hieraan bijdragen. "Met de VLBI-techniek, waarbij je de hele aarde tot een telescoop maakt, moet je de schalen aan weerszijden van de aarde aan elkaar koppelen met behulp van een netwerk van atoomklokken, en dat is wat we doen."
De Event Horizon-telescoop verzamelde de gegevens voor het eerste zwarte gatenbeeld in 2017. Door atoomklokken te gebruiken om de waarnemingen in de tijd uit te lijnen, en supercomputers om de petabytes aan gegevens te compileren, kunnen wetenschappers effectief de resolutie van een telescoop ter wereld bereiken - maar niet de mogelijkheid om licht te verzamelen, dus de techniek kan alleen worden gebruikt om zeer heldere objecten te observeren. VLBI kan alleen radiogolven verzamelen op de oppervlakken van de schotels, die constant met de aarde roteren en het centrum van M87 in de gaten houden.
De Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), gelegen in Noord-Chili, met de Melkweg zichtbaar ESO / Y. Beletsky in de lucht. ALMA is het krachtigste radio-observatorium in het Event Horizon Telescope-netwerk. (ESO / Y. Beletsky) “Je kunt deze telescopen beschouwen als kleine stukjes zilver op een spiegel ter grootte van de aarde, en terwijl ze bewegen, sporen ze reflecterende strengen af, en zo wikkel je een telescoop ter grootte van een aarde samen, of draai je eraan een web zoals een spin, 'zegt Doeleman.
De telescopen verzamelen extreem hoge frequentie (EHF) radiogolven, bijna infrarood licht op het elektromagnetische spectrum, met een golflengte van 1, 3 millimeter. De frequentie is "gewoon perfect" om de uitgebreide reis te maken van de randen van een zwart gat naar onze radioschotels, zegt Doeleman. De observatoria richten zich over het algemeen 's nachts naar M87 en in de maanden maart en april, wanneer de atmosferische waterdampen het laagste niveau hebben.
De Event Horizon-telescoop observeert ook Boogschutter A *, het superzware zwarte gat in het centrum van onze eigen melkweg, de Melkweg. Boogschutter A * (uitgesproken als "Boogschutter A-ster") is een veel minder actief superzwaar zwart gat dan dat in het midden van M87. Boogschutter A * is ongeveer 26.000 lichtjaar verwijderd en is klein genoeg om aan de hemel ongeveer even groot te zijn als de veel verder weg gelegen M87.
Veel wetenschappers geloven dat zwarte gaten zinvol zijn in het rijk van de theoretische fysica, maar in het echte leven niet echt konden bestaan. Het maken van een afbeelding van een zwart gat zou daar verandering in brengen.Naast de gloeiende horizon van de gebeurtenis rond het zwarte gat van de M87, werpt het object stralen materiaal uit zijn polen de ruimte in. "Je krijgt deze stralen van relativistische deeltjes, want het is natuurlijk heel erg energiek, dat kan stromen voor tienduizenden lichtjaren, " zegt Doeleman. "Ze kunnen helemaal door het hele sterrenstelsel gaan, en het is die bevrijding van energie op galactische schaal die het uiterlijk van een heel sterrenstelsel kan veranderen."
De energie van de jets die uit een superzwaar zwart gat stromen, wordt bepaald door hoeveel materie het zwarte gat verbruikt, evenals zijn rotatie, magnetisch veld en andere eigenschappen. "De jets dragen het equivalent van 10 miljard supernova in energie", zegt Sera Markoff, lid van de EHT-wetenschapsraad en professor aan de Universiteit van Amsterdam, op de persconferentie. "Deze bizzare zinkgaten in de ruimte-tijd hebben op zichzelf veel consequenties, " zegt Markoff. Wanneer een zwart gat enorme hoeveelheden energie uitspuwt, voorkomt dit dat de gassen rond de evenementhorizon nieuwe sterren vormen, waardoor de groei van sterrenstelsels wordt belemmerd.
In het midden van een zwart gat, volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein, bevindt zich een singulariteit waar alle materie van het object wordt gecondenseerd in een volume dat zo klein is dat de dichtheid in wezen oneindig is. Op dit moment wordt aangenomen dat de bekende natuurwetten afbreken. Dichter bij de evenementhorizon zullen wetenschappers echter de vorm van het silhouet van het zwarte gat onderzoeken om relativiteitswetten te testen.
"Ik moet toegeven dat ik een beetje verbluft was dat het zo nauw overeenkwam met de voorspellingen die we hadden gedaan", zegt Avery Broderick, een astrofysicus bij EHT en een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Waterloo, op de persconferentie. "Het is verheugend maar ook een beetje verontrustend."
De vorm van het licht rond het zwarte gat, bekend als de fotonring waar licht rond het centrum draait, dient als de meest intensieve test van Einsteins zwaartekrachtstheorieën ooit uitgevoerd.
"Een van de redenen waarom je die lichtring ziet, is dat dat de baan is waarin fotonen gedwongen worden om in een cirkel rond het zwarte gat te bewegen, " zegt Doeleman. “Het is echt buitengewoon - je neemt een object als een foton dat zo snel beweegt als alles in het universum kan, de snelste die je kunt bewegen, en dan realiseer je je dat er een object een zwart gat wordt genoemd dat die lichtstraal naar binnen buigt een complete cirkel. En dat is in wezen wat u ziet. ... En als je de vergelijkingen van Einstein doorneemt, is dat een heel speciale baan. '
Het zien van de ring rond een zwart gat, de schaduw ervan afgetekend tegen de kosmos, heeft bevestigd dat de theoretische fysica die meer dan 100 jaar geleden is vastgelegd nog steeds geldt "in een van de meest extreme laboratoria die het universum ons biedt".
"Ik denk dat het tot de menselijke geest spreekt, eerlijk gezegd, dat we het voor elkaar kunnen krijgen", zegt Doeleman.
Black Hole Hunters gaat in première op vrijdag 12 april om 21.00 uur op Smithsonian Channel.
