De afbeelding is gemaakt door een mondiaal onderzoeksteam, de Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, dat gebruik maakt van waarnemingen met een wereldwijd netwerk van radiotelescopen. De foto biedt een langverwachte blik op het enorme object dat zich in het centrum van ons Melkwegstelsel bevindt. Wetenschappers hadden al eerder sterren in een baan om een onzichtbaar, compact en zeer massarijk object in het Melkwegcentrum zien draaien. Dit wekte het sterke vermoeden dat het object, dat bekendstaat als Sagittarius A* (of Sgr A* – spreek uit als ‘Sag-A-ster’), een zwart gat is, en de vandaag gepresenteerde opname levert het eerste directe visuele bewijs daarvoor. Hoewel we het zwarte gat zelf niet kunnen waarnemen, omdat het volkomen donker is, laat het gloeiende gas eromheen een karakteristieke signatuur zien: een donker centraal gebied (de zogeheten schaduw), omgeven door een heldere ringvormige structuur.
Deze ring bestaat uit licht dat is afgebogen door de sterke zwaartekracht van het zwarte gat, dat vier miljoen keer zoveel massa heeft als onze zon. ‘We waren stomverbaasd dat de grootte van de ring zo goed overeenkwam met de voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie,’ zegt EHT-projectwetenschapper Geoffrey Bower van het Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taipei. ‘Deze ongekende waarnemingen hebben ons begrip van wat zich in het centrum van ons Melkwegstelsel afspeelt sterk verbeterd, en leveren nieuwe inzichten op over de wijze waarop deze reusachtige zwarte gaten met hun omgeving wisselwerken.’ De resultaten van het EHT-team worden vandaag gepubliceerd in een speciale uitgave van de Astrophysical Journal Letters.
Omdat het zwarte gat ongeveer 27.000 lichtjaar van de aarde verwijderd is, lijkt het aan onze hemel ongeveer zo groot als een donut op de afstand van de maan. Om dit object in beeld te kunnen brengen, heeft het team de krachtige EHT opgezet: een netwerk van acht bestaande radiosterrenwachten, verspreid over de hele wereld, die met elkaar verbonden zijn tot één virtuele telescoop ter grootte van de aarde [1]. De EHT heeft Sgr A* gedurende meerdere nachten in 2017 waargenomen, waarbij vele uren achtereen gegevens werden verzameld. Naast andere faciliteiten omvat het EHT-netwerk de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en het Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in de Atacama-woestijn in Chili, die mede-eigendom zijn van, en namens haar Europese lidstaten worden beheerd door ESO. Andere Europese bijdragen aan de EHT-waarnemingen zijn geleverd door de IRAM 30-meter telescoop in Spanje en, sinds 2018, de NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankrijk, alsmede de supercomputer waarmee de EHT-gegevens zijn gecombineerd, die is ondergebracht bij het Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Duitsland. Bovendien heeft Europa, via subsidies van de Europese Onderzoeksraad en de Max Planck Gesellschaft in Duitsland bijgedragen aan het EHT-consortiumproject.
‘Het is heel opwindend om als ESO al zoveel jaren zo’n belangrijke rol te spelen bij het ontrafelen van de geheimen van zwarte gaten, en van Sgr A* in het bijzonder,’ aldus Xavier Barcons, directeur-generaal van ESO. ‘ESO heeft niet alleen aan de EHT-waarnemingen bijgedragen via de faciliteitenALMA en APEX, maar met haar andere sterrenwachten in Chili ook enkele van de eerdere waarnemingen van het Melkwegcentrum mogelijk gemaakt.’ [2]
Het nieuwe EHT-resultaat volgt op de in 2019 door de samenwerking vrijgegeven eerste afbeelding van het zwarte gat, M87* geheten, dat zich in het centrum van het veel verder weg gelegen sterrenstelsel Messier 87 bevindt. De beide zwarte gaten lijken opvallend veel op elkaar, hoewel het zwarte gat in ons Melkwegstelsel meer dan duizend keer zo klein is en minder massa heeft dan M87* [3]. ‘We hebben hier twee totaal verschillende soorten sterrenstelsels en twee zwarte gaten van sterk verschillende massa’s, maar dicht bij de rand van deze zwarte gaten lijken ze verbazingwekkend veel op elkaar,’ zegt Sera Markoff, medevoorzitter van de EHT Wetenschapsraad en hoogleraar theoretische astrofysica aan de Universiteit van Amsterdam. ‘Dit vertelt ons dat deze objecten van dichtbij door de algemene relativiteitstheorie worden geregeerd, en dat alle verschillen die we verder ervandaan zien te wijten moeten zijn aan verschillen in het materiaal dat de zwarte gaten omringt.’
Hoewel Sgr A* veel dichterbij staat, kostte het nieuwe kunststukje veel meer moeite dan dat van M87*. EHT-wetenschapper Chi-kwan (‘CK’) Chan, van de Steward-sterrenwacht de Vakgroep Astronomie en het Data Science Institute van de Universiteit van Arizona (VS), legt uit: ‘Het gas in de buurt van de zwarte gaten beweegt met dezelfde snelheid – bijna net zo snel als het licht – om Sgr A* en M87*. Maar waar het gas er dagen tot weken over doet om een rondje om het zwarte gat M87* te draaien, duurt een omloop om het veel kleinere zwarte gat Sgr A* luttele minuten. Dit betekent dat de helderheid en het patroon van het gas rond Sgr A* tijdens de waarnemingen snel veranderden – een beetje alsof je een scherpe foto probeert te maken van een puppy die zijn eigen staart achterna jaagt.’
De onderzoekers moesten verfijnde nieuwe hulpmiddelen ontwikkelen die rekening hielden met de gasbeweging rond Sgr A*. Terwijl M87* een relatief gemakkelijk, stabiel doelwit was, waarbij bijna alle opnamen er hetzelfde uitzagen, was dat bij Sgr A* bepaald niet het geval. De nu gepresenteerde foto, waarop de reus in het centrum van ons Melkwegstelsel voor het eerst te zien is, is dan ook een gemiddelde van de verschillende opnamen die het team heeft verkregen. De prestatie is te danken aan de vindingrijkheid van meer dan driehonderd onderzoekers van tachtig instituten over de hele wereld, die samen de EHT Collaboration vormen. Naast het ontwikkelen van complexe hulpmiddelen om de uitdagingen van het in beeld brengen van Sgr A* het hoofd te bieden, heeft het team vijf jaar lang moeten ploeteren om, met behulp van supercomputers, zorgvuldig alle gegevens te combineren en te analyseren, en ondertussen een unieke verzameling van nagebootste zwarte gaten op te bouwen, om deze met de waarnemingen te kunnen vergelijken.
Wetenschappers zijn bijzonder verheugd dat zij eindelijk beelden hebben van twee zwarte gaten van zeer verschillende afmetingen, wat de mogelijkheid biedt om hun onderlinge verschillen en overeenkomsten te leren begrijpen. Ze zijn ook begonnen om de nieuwe gegevens te gebruiken om de theorieën en modellen te toetsen die beschrijven hoe gas zich rond superzware zwarte gaten gedraagt. Dit gedrag wordt nog niet volledig begrepen, maar aangenomen wordt dat het een sleutelrol speelt bij de vorming en evolutie van sterrenstelsels. ‘Nu kunnen we de verschillen tussen deze twee superzware zwarte gaten bestuderen om waardevolle nieuwe aanwijzingen te verkrijgen over hoe dit belangrijke proces in zijn werk gaat,’ zegt EHT-wetenschapper Keiichi Asada van het Instituut voor Astronomie en Astrofysica, Academia Sinica, Taipei. ‘We hebben nu beelden van twee superzware zwarte gaten – één aan de grote kant en één aan de kleine kant – dus kunnen we beter dan ooit tevoren testen hoe de zwaartekracht zich in deze extreme omgevingen gedraagt.’
En de EHT blijft vooruitgang boeken: bij een grote waarnemingscampagne in maart 2022 waren meer telescopen betrokken dan ooit tevoren. Dankzij de voortdurende uitbreiding van het EHT-netwerk en aanzienlijke technologische upgrades zullen wetenschappers in de nabije toekomst nog meer indrukwekkende beelden en filmpjes van zwarte gaten kunnen presenteren.
Noten
[1] De afzonderlijke telescopen die in april 2017, toen de waarnemingen zijn gedaan, aan de EHT deelnamen waren: de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), het Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), de IRAM 30-meter Telescope, de James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), de Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), de Submillimeter Array (SMA), de UArizona Submillimeter Telescope (SMT) en de South Pole Telescope (SPT). Sindsdien heeft het EHT-netwerkt versterking gekregen van de Greenland Telescope (GLT), de NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en de UArizona 12-meter Telescope op Kitt Peak.
ALMA is een samenwerkingsverband van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO, als vertegenwoordiger van haar lidstaten), de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, tezamen met de National Research Council (Canada), het Taiwanese Ministerie van Wetenschap en Technologie (MOST), het Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Taiwan), en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republiek Korea), in samenwerking met de Republiek Chili. Het Joint ALMA Observatory (JAO) wordt beheerd door ESO, het Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO) en het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). APEX, een samenwerking tussen het Max-Planck-Institut für Radioastronomie (Duitsland), het Onsala Space Observatory (Zweden) and ESO, wordt beheerd door ESO. De 30-meter Telescope wordt beheerd door IRAM (the IRAM partnerorganisaties zijn MPG [Duitsland], CNRS [Frankrijk] en IGN [Spanje]). De JCMT wordt, namens het National Astronomical Observatory of Japan; ASIAA; KASI; het National Astronomical Research Institute of Thailand; het Center for Astronomical Mega-Science and organisaties in het Verenigd Koninkrijk en Canada, beheerd door het East Asian Observatory. The LMTwordt beheerd door INAOE en UMass, de SMA wordt beheerd door het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian en ASIAA, en de UArizona SMT wordt beheerd door de Universiteit van Arizona. The SPT wordt beheerd door de Universiteit van Chicago, met speciale EHT-instrumentatie die door de Universiteit van Arizona is verschaft.
De Greenland Telescope (GLT) wordt beheerd door ASIAA en het Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO). De GLT maakt deel uit van ALMA-Taiwan project, and wordt deels ondersteund door de Academia Sinica (AS) en MOST. NOEMA wordt beheerd door IRAM en de UArizona 12-meter telescoop op Kitt Peak wordt beheerd door de Universiteit van Arizona.
[2] Een stevige basis voor de interpretatie van deze nieuwe opname werd geleverd door eerder onderzoek van Sgr A*. Astronomen zijn al sinds de jaren 70 bekend met deze heldere, compacte radiobron in het centrum van het Melkwegstelsel, die in de richting van het sterrenbeeld Sagittarius (Boogschutter) staat. Door over een periode van dertig jaar de banen van verschillende sterren nabij ons galactisch centrum te meten, konden teams onder leiding van Reinhard Genzel (directeur van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching bij München, Duitsland) en Andrea M. Ghez (hoogleraar aan de faculteit Natuur- en Sterrenkunde van de Universiteit van Californië te Los Angeles, VS) aantonen dat de meest waarschijnlijke verklaring voor een object van deze massa en dichtheid een superzwaar zwart gat is. Bij dit onderzoek, dat is beloond met de (gedeelde) Nobelprijs voor Natuurkunde 2020, waren diverse ESO-faciliteiten (waaronder de Very Large Telescope en de Very Large Telescope Interferometer) en de Keck-sterrenwacht betrokken.
[3] Zwarte gaten zijn de enige objecten die we kennen waarbij de massa gelijke tred houdt met de grootte. Een zwart gat dat duizend keer kleiner is dan een ander zwart gat heeft ook duizend keer zo weinig massa.
Bron: ESO
