Radboud Universiteit
Zoek in de site...

Fotograferen wat onzichtbaar is

Een zwart gat in beeld krijgen? Veel sterrenkundigen dachten dat het onmogelijk was, tot het Event Horizon Telescope-team in 2019 de eerste foto van een zwart gat liet zien. Over hoe een creatief idee uitgroeide tot een radiotelescoop zo groot als de aarde.

first ever picture of a black hole

Einsteins Algemene Relativiteitstheorie is nog maar een maand oud, als Karl Schwarzschild er de simpelst mogelijke ster mee doorrekent. Met een verrassend point of no return: pers een ster maar ver genoeg samen tot een punt, voorspelt Schwarzschilds formule, en de zwaartekracht wordt allesverslindend. Van binnen de waarnemingshorizon kan zelfs het licht niet meer ontsnappen.

Een wiskundige curiositeit, oordelen natuurkundigen. Je zou de 1,4 miljoen kilometer brede zon ervoor moeten samenpersen tot een bolletje met een doorsnee van zes kilometer. Toch kan dat, als een heel zware ster door zijn brandstof heen is en instort onder zijn eigen gewicht. Sterrenkundigen ontdekken allerlei mogelijke zwarte gaten, zoals een dansende dubbelster met een onzichtbaar kleine partner, of de ontzaglijk felle radiobronnen in het hart van sommige sterrenstelsels. Zoveel energie kan alleen vrijkomen als materie in de muil van een zwart gat stort.

Modellen

Hoogleraar sterrenkunde Heino Falcke raakte al tijdens zijn promotie in de jaren negentig gegrepen door zwarte gaten: ‘Ik kreeg toen door dat we de zwaartekracht nog helemaal niet zo goed begrijpen. Eigenlijk is het een groot raadsel hoe die werkt en hoe die samengaat met het Standaard Model van de deeltjesfysica.’ Zwarte gaten zijn het meest extreme geval van zwaartekracht dat je je maar kunt bedenken. ‘Daar kun je je theorieën echt testen.’

Hoe zien zwarte gaten eruit? Theoretici zoals Davd Hilbert, Max von Laue en James Bardeen berekenden in de vorige eeuw hoe de enorme zwaartekracht van een zwart gat de lichtstralen vervormt van een achterliggende ster of van de dunne accretieschijf van materiaal dat eromheen draait. Door dat lenseffect kun je zelfs direct achter het zwarte gat kijken.

Hoe moeilijk de berekeningen ook zijn, een zwart gat zien én fotograferen nog lastiger. Zwarte gaten zijn te klein en te ver weg voor een normale telescoop. De dichtstbijzijnde ingestorte ster staat op duizend lichtjaren van de aarde -  duizend miljard kilometers - en is maar een paar kilometer breed.

Schaduw van het zwarte gat

Zwarte gaten zijn zelfs voor de Hubble-telescoop onooglijk klein. Toch kunnen ze zichzelf verraden. Als jonge promotiestudent rekent Falcke in 1993 voor hoeveel radiostraling een zwart gat opwekt wanneer het interstellair stof en gas verslindt waarbij het een klein deel van de deeltjes lukt om nog net te ontsnappen via een zogenoemde jet (straalstroom). Volgens zijn formules kijk je op de juiste golflengte naar gloeiendheet gas dat rakelings langs het zwarte gat scheert. Daardoor laat je licht op het zwarte gat schijnen en kun je de duisternis laten zien.

Het radiobeeld wordt nog eens extra interessant door de enorme zwaartekracht: die bundelt de radiogolven als een lens. In plaats van een diffuse wolk of een straalstroom zou je daarom een heldere ring moeten zien met daarbinnen een donker gebied. Een directe afbeelding van de rand van het zwarte gat, realiseert Falcke zich: in twee publicaties uit 2000 doopt hij het effect samen met twee collega’s tot de schaduw van een zwart gat. Die is vijf keer zo groot als het zwarte gat zelf, en in principe zichtbaar met een radiotelescoop. Als die maar groot genoeg is.

Netwerk van telescopen

De astrofysicus Reinhard Genzel met zijn team en later ook de astrofysica Andrea Ghez (winnaars van de Nobelprijs natuurkunde 2020) hadden sterren in het centrum ontdekt, die met grote snelheid rond de radiobron Sagittarius A* in het hart van de Melkweg draaiden. Dit liet zien, dat die radiobron heel zwaar moest zijn: waarschijnlijk een superzwaar zwart gat. Vier miljoen keer zo zwaar als de zon en 24,5 miljoen kilometer breed; vervang de zon door Sagittarius A*, en zijn schaduw beslaat de halve hemel.

Falckes collega Thomas Krichbaum had toen net radiometingen gedaan aan Sagittarius A*. Hij kan het radiosinaal van het supermassieve zwarte gat meten dankzij de VLBI-techniek (Very Long Baseline Interferomery). Zo koppelt hij radiotelescopen die duizenden kilometers van elkaar staan. Het resultaat: metingen die net zo scherp zijn als met een telescoop zo groot als de onderlinge afstand. Toch blijkt het zwarte gat nog steeds te klein om details te zien.

Sagittarius A* fotograferen is moeilijk, maar niet onmogelijk concludeert Falcke desondanks, en begint een campagne om collega's te overtuigen. Het zwarte gat in het hart van onze Melkweg blijkt uit nieuwere waarnemingen namelijk zwaarder en dus ook groter dan gedacht. Falcke wijst erop, dat het zwarte gat zijn eigen beeld vergroot dankzij het schaduweffect, en meetbaar moet zijn op een radiogolflengte van millimeters. Míts Falckes astrofysischemodellen kloppen.

Campagne voeren

‘Toen ik in 1995 voor het eerst zei dat we een foto van een zwart gat konden maken, was ik nog niet zeker van het idee’, bekent Falcke. ‘Ik was ook mezelf aan het overtuigen. Het verhaal moest echt steviger worden voor ik mensen mee kon krijgen.’

Het beste zichtbare zwarte gat aan de hemel is het het enorme exemplaar in het centrum van de Melkweg, Sagittarius A* in het sterrenbeeld Boogschutter. Met zijn collega's berekent Falcke de ideale radiogolflengte om naar dit monster van 4 miljoen zonsmassa's te kijken. Op 1 millimeter zie je radiogolven die vlakbij de waarnemingshorizon ontstaan. VLBI bij die golflengte vraagt wel om stevige upgrades van bestaande telescopen - en dus om onderzoeksgeld. ‘We moesten laten zien dat onze methode kans van slagen had om die fondsen te krijgen.’

Kern van Falckes voorspelling was dat je bij lagere radiogolflengtes steeds dichterbij een zwart gat kijkt, tot aan de event horizon. Dat is precies wat waarnemers later zien als ze met een klein VLBI-netwerk naar Sagittarius A* kijken. Met zijn collega Geoff Bower laat Falcke in 2004 zien dat deze voorspelling klopt. In 2008 bevestigt Shep Doeleman van het Amerikaanse MIT eerdere metingen van Thomas Krichbaum, waaruit blijkt dat er inderdaad radiogolven van 1 millimeter uit de directe omgeving van het zwart gat kwamen.

Met dat bewijs in handen krijgt Falcke samen met zijn collega’s Rezzolla, Kramer een ERC Synergy Grant, een prestigieuze Europese onderzoeksbeurs van 14 miljoen euro.

In 2013 slaat Falcke de handen ineen met Doeleman en vormen ze samen met 13 partijen wereldwijd EHT: Event Horizon Telescope, een samenwerkingsverband van 150 sterrenkundigen en acht telescopen in Europa, Noord- en Zuid-Amerika en op de Zuidpool. Falcke wordt voorzitter van de wetenschappelijke raad van het EHT, Doeleman directeur. Jarenlang werk volgt aan de theoretische modellen en de meetapparatuur. Moderne dataopslag voor de vracht aan meetdata bijvoorbeeld, radiodetectoren voor de gewenste golflengte van 1 millimeter, atoomklokken om de telescopen supernauwkeurig mee op elkaar af te stemmen en digitizers die de analoge radiometingen omzetten in computerdata. EHT gebruikt daarvoor onder meer apparatuur die is ontwikkeld voor SETI, de zoektocht naar buitenaards leven.

Sterrenkunde congres Groep-DvA-158825

EHT onderzoeksgroep bij elkaar in Nijmegen, november 2018

Kraakhelder

In 2017 is het EHT-netwerk klaar om metingen te doen. Ondertussen is niet alleen het zwarte gat in het centrum van onze Melkweg in beeld. Het team onderzoekt ook het zwarte gat in sterrenstelsel M87. Dat staat weliswaar duizend keer verder weg, maar is ook zo'n duizend keer zwaarder en groter dan Sagittarius A*. Hoe groot de massa precies is, is onzeker, maar het blijkt een gouden greep. In onze eigen Melkweg belemmeren grote interstellaire stofwolken het zicht, maar M87 levert kraakhelder beeld. Na twee jaar analyse in het diepste geheim treedt de EHT naar buiten en op 10 april 2019 presenteren Heino Falcke In Brussel en Shep Doeleman in Washington de eerste foto van een zwart gat.

‘We fantaseren er als sterrenkundigen allemaal weleens over om een zwart gat in het echt te zien’, zegt Falcke. ‘Al snel leg je je erbij neer: die zijn zo klein en ver weg, dat lukt nooit. Twintig jaar terug was zelfs niet elke astronoom ervan overtuigd dat zwarte gaten ook echt bestaan. En nu kunnen we ze echt zien. Wat een stroomversnelling om in terecht te komen!’