Radboud Universiteit
Zoek in de site...

Rekenen aan de schaduw van een zwart gat

Voor het eerste zwarte gat op de foto stond, was veel reken- en modelleerwerk nodig. De sterrenkundigen van de Radboud Universiteit hadden een hoofdrol in die voorbereiding. Hoe droegen zij bij aan de afbeelding van het reusachtige zwarte gat in sterrenstelsel M87? En wat gaat de toekomst brengen?

Zwarte gat Team Radboud Universiteit

'Zwarte gat'-team Radboud Universiteit. Van links naar rechts: Sara Issaoun, Daan van Rossum, Freek Roelofs, Michael Janssen, Christiaan Brinkerink, Heino Falcke, Raquel Fraga-Encinas, Jordy Davelaar, Monica Moscibrodzca. 

In april 2017 is het zover: de acht telescopen van Event Horizon Telescope (EHT) richten zich allemaal op hetzelfde stukje hemel voor de eerste waarneming van een zwart gat. Bij bijna elke telescoop in het netwerk is een Radboud-sterrenkundige aanwezig. Opmerkelijk, want de meesten zijn theoretici en modelleurs die meestel achter een computer zitten. Toch is het belangrijk om ter plaatse te zijn, vindt onderzoeksleider prof. Heino Falcke: ‘Je moet weten hoe zo'n telescoop werkt en waar je data vandaan komen.’

Na een week meten hebben de EHT-astronomen zo veel data dat ze die moeten versturen in dozen vol harde schijven: digitaal verzenden zou een jaar kosten. Als de metingen eenmaal in hetzelfde computernetwerk staan, begint het werk pas. Radiotelescopen geven namelijk geen direct beeld zoals een telelens, maar vertellen je hoeveel radiogolven ze op een bepaald moment zag vanuit de kijkrichting.

Om uit de zee van astronomische data een beeld te destilleren van de schaduw van het zwarte gat in M87, moesten de signalen van alle telescopen worden vergeleken en gecombineerd volgens de VLBI-techniek. Event Horizon Telescope besteedde daar ontelbare computeruren aan, met glansrollen voor de sterrenkundigen van de Radboud Universtiteit.

Een cruciale stap in de dataverwerking is de kalibratie, waarbij de helderheid van je waargenomen object wordt vergeleken met bekende radiobronnen. Niet bepaald glamoureus werk, maar onmisbaar als je niet alleen mooie plaatjes maar harde metingen wil. En traditioneel het domein van een paar wizards die weten hoe je de data het beste filtert. Radboud-promovendi Sara Issaoun en Michael Janssen en JIVE-sterrenkundige Ilse van Bemmel weten het hele proces te automatiseren met scripts voor het open community-pakket CASA. Die zorgen voor perfect gekalibreerde data. De resultaten worden in een eigen artikel gepubliceerd, waar Sara Issaoun een van de hoofd-coördinatoren is.

Zo'n kalibratie-pijplijn (automatische dataverwerking) was al twintig jaar een droom van de VLBI-gemeenschap. Falcke: ‘In de kalibratiegroep van vijf onderzoekers zaten drie Nederlanders. Zij hebben echt een topprestatie geleverd. Met zo'n pijplijn weet je zeker dat je je databewerking perfect kunt herhalen. Zoiets belangrijks mag niet afhangen van iemands persoonlijke keuze, je moet opties kunnen testen en reproduceren!’

Het is hét thema van de Radboud-bijdrage aan Event Horizon Telescope: uiterst slimme rekentools bedenken die grootschalig kunnen worden ingezet. Zo bouwt promovendus Freek Roelofs samen met collega's in Zuid-Afrika een simulator, gebaseerd op software van de Nederlandse radiotelescoop LOFAR. De nieuwe SYMBA-tool kan voorspellen hoe goed een VLBI-netwerk een bron aan de hemel ziet, tot op de invloed van het weer bij de verschillende telescopen aan toe: extreem handig om de foutmarge in de metingen te bepalen.

Eerste beeld

Toen de data eenmaal gebruiksklaar waren, begonnen experts binnen het hele EHT-project er hun eigen afbeeldingen van te maken. Radboud-sterrenkundige Sara Issaoun leidde een van de vier imaging-teams binnen EHT, ieder met een eigen aanpak. Ze schreef een belangrijk deel van de imaging-analyse in de wetenschappelijke publicatie over de foto van het zwarte gat in M87.

‘De eerste afbeelding van M87 die ik zag was gemaakt door onze promovendus Freek Roelofs’, herinnert Falcke zich: ‘het was vlak voor een TEDx event, en ik liep daar dan ook uitgelaten rond zonder dat ik iets mocht vertellen!’

Nauwe samenwerking tussen waarneming en theorie

In de foto van het zwarte gat komen allerlei expertises samen. Nieuwe dataverwerking en meetapparatuur bijvoorbeeld voor de acht telescopen in het EHT-netwerk, maar ook uitgebreide rekenmodellen die voorspellen hoe de metingen eruit zullen zien. De theroretica Monika Mościbrodzka, zamen met de promovendi Thomas Bronzwaer en Jordy Davelaar en het BlackHoleCam team in Frankfurt zitten in dat laatste kamp en werken nauw samen met de waarnemers. ‘Daardoor konden we heel stevig onderbouwd allerlei eigenschappen van het zwarte gat afleiden. Dat uiteindelijk zo’n sterke theorie groep binnen de EHT ontstond is ook mede te danken aan onze inzet al in fase van de oprichting van de EHT’

Het team van Falcke en Mościbrodzka haalt alles uit de kast voor de simulaties: Thomas Bronzwaer modelleert hoe een zwart gat het licht van de gloeiende gaswolk eromheen afbuigt, en zijn collega Jordy Davelaar die modelleert hoe het geladen gas beweegt en straalt in het intense zwaartekrachtsveld. ‘Zo wisten we precies wat voor signaal we konden verwachten’, zegt Falcke, en omgekeerd: ‘en konden we uit de metingen nog beter achterhalen hoe het zwarte gat en zijn omgeving erbij stonden.’

Het BlackHoleCam team bouwt ook  de optie in om verschillende zwaartekrachtsmodellen door te rekenen, niet alleen dat van Einstein: in 2020 kan EHT daardoor zeggen dat Einsteins Algemene Relativiteitstheorie staat als een huis – sommige andere zwaartekrachtstheorieën blijken een stuk minder goed te passen bij de waarnemingen.

Toekomstplannen

Event Horizon Telescope is na de eerste foto van het zwarte gat in M87 nog lang niet klaar. Met meer metingen willen de sterrenkundigen naast foto's ook video’s maken die laten zien hoe de zwarte gaten in de loop der tijd veranderen.

Al in 2015 begon Falcke daarom het expertisecentrum Radboud Radio Lab, dat nu met de Universiteit van Namibië samenwerkt aan de nieuwe Africa Millimeter Telescope AMT. Die staat op een uitstekende plaats om een gat in het EHT-netwerk te dichten voor nog betere signaaldekking: een entreeticket voor Nederland en Europa in de toekomst van zwarte gat-fotografie.

De financiering is nog niet rond: ‘een moeilijk proces in deze tijd’, vind Falcke, ‘ook al heb je groot succes, dan krijg je nog niet meteen ook veel geld om te kunnen concurreren met grote landen zoals de VS.’

En daarna? De ruimte in, om met twee satelliettelescopen hogeresolutiefilms te maken van zwarte gaten en het materiaal dat eromheen draait. ESA zou zo'n ruimtemissie in 2050 kunnen lanceren. Falcke hoopt het nog net mee te kunnen maken: ‘Daarom plant ik nu al het zaadje, net zoals vijf jaar terug met de Africa Millimeter Telescope. Als die boom dan bloeit en de eerste vruchten komen, kunnen wij er samen van meegenieten.’