Een nieuwe opname van het Event Horizon Telescope (EHT) samenwerkingsverband heeft sterke en geordende magnetische velden aan het licht gebracht die spiraalsgewijs van de rand van het superzware zwarte gat Sagittarius A* (Sgr A*) af komen. Dit nieuwe plaatje van het ‘monster’ in het hart van ons Melkwegstelsel, voor het eerst waargenomen in gepolariseerd licht, laat een magnetische veldstructuur zien die opvallende overeenkomsten vertoont met die van het zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel M87. Dit wijst erop dat alle zwarte gaten sterke magnetische velden hebben.
De gelijkenis doet ook vermoeden dat er in Sgr A* een jet schuilgaat. Deze nieuwe bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters. Tijdens wereldwijde persconferenties, onder meer bij de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), presenteerden wetenschappers in 2022 de eerste opname van Sgr A*. Hoewel het superzware zwarte gat in het Melkwegcentrum, dat zich op ongeveer 27.000 lichtjaar van de aarde bevindt, meer dan duizend keer kleiner en minder massarijk is dan dat van M87 – het allereerste zwarte gat dat in beeld werd gebracht, bleek uit de waarnemingen dat de twee opmerkelijk veel op elkaar lijken. Hierdoor vroegen wetenschappers zich af of zij behalve hun uiterlijk ook andere kenmerken gemeen hadden. Om daar achter te komen, besloot het team om Sgr A* in gepolariseerd licht te bestuderen. Eerdere onderzoeken van het licht rond het zwarte gat in M87 (M87*) hebben laten zien dat de omliggende magnetische velden dit zwarte gat in staat hebben gesteld om krachtige jets van materie terug de ruimte in te schieten. De nieuwe opnamen bouwen hierop voort en laten zien dat hetzelfde mogelijk ook voor Sgr A* geldt.
‘Wat we nu zien is dat er in de nabijheid van het zwarte gat in het centrum van de Melkweg sterke, verstrengelde en georganiseerde magnetische velden aanwezig zijn,’ zegt Sara Issaoun, NASA Hubble Fellowship Program Einstein Fellow bij het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian in de VS, en medeleider van het project. ‘Samen met het feit dat Sgr A* een opvallend vergelijkbare polarisatiestructuur heeft als die in het veel grotere en krachtigere zwarte gat M87*, hebben we geleerd dat sterke en geordende magnetische velden van cruciaal belang zijn voor de manier waarop zwarte gaten in wisselwerking treden met het gas en de materie in hun omgeving.’
Licht is niets anders dan een oscillerende (op en neer gaande) elektromagnetische golf die ons in staat stelt om objecten te zien. Soms oscilleert licht in een voorkeursrichting: we noemen het dan ‘gepolariseerd’. Hoewel overal om ons heen gepolariseerd licht voorkomt, is het menselijk oog niet in staat om dit van ‘normaal’ licht te onderscheiden. In het plasma rond zwarte gaten zorgen deeltjes die rond magnetische veldlijnen wervelen voor een polarisatiepatroon dat loodrecht op het veld staat. Dit biedt astronomen de mogelijkheid om in meer detail te zien wat zich in de omgeving van zwarte gaten afspeelt en hun magnetische veldlijnen in kaart te brengen. ‘Door gepolariseerd licht van gloeiend heet gas in de buurt van zwarte gaten in beeld te brengen, kunnen we direct de structuur en sterkte afleiden van de magnetische velden die de gas- en materiestroom begeleiden die het zwarte gat voedt en uitstoot,’ zegt Harvard Black Hole Initiative Fellow en projectcoördinator Angelo Ricarte. ‘Gepolariseerd licht leert ons veel meer over de astrofysica, de eigenschappen van het gas en de mechanismen die in werking treden wanneer een zwart gat zich voedt.’
Foto: EHT Collaboration
Maar het in beeld brengen van zwarte gaten in gepolariseerd licht is niet zo eenvoudig als het opzetten van een gepolariseerde zonnebril – vooral niet bij Sgr A*, die heel snel verandert en als het ware niet stil blijft zitten voor de foto. Voor het vastleggen van dit superzware zwarte gat zijn instrumenten nodig die geavanceerder zijn dan de instrumenten die voor het fotograferen van het veel stabielere object M87* werden gebruikt. ‘Omdat Sgr A* beweegt terwijl we een foto proberen te maken, kostte het al heel veel moeite om er een ongepolariseerde opname van te construeren,’ aldus EHT-projectwetenschapper Geoffrey Bower van het Institute of Astronomy and Astrophysics van de Academia Sinica in Taiwan, die benadrukt dat deze eerste foto vanwege de beweeglijkheid van SgrA* een gemiddelde van meerdere opnamen was. ‘We waren opgelucht dat gepolariseerde beeldvorming überhaupt mogelijk was. Sommige modellen waren veel te rommelig en turbulent om een gepolariseerd beeld te construeren, maar de natuur was ons gunstig gezind.’
Mariafelicia De Laurentis, plaatsvervangend EHT-projectwetenschapper en hoogleraar aan de Universiteit van Napels Federico II in Italië, zegt: ‘Met een steekproef van twee zwarte gaten – met zeer verschillende massa’s en zeer verschillende moederstelsels – is het belangrijk om te bepalen waarin ze overeenkomen en verschillen. Omdat ze allebei tekenen van sterke magnetische velden vertonen, kan dit erop wijzen dat dit een universele en misschien zelfs fundamentele eigenschap van dit soort objecten is. Een mogelijke overeenkomst tussen deze twee zwarte gaten zou een jet kunnen zijn, maar terwijl we een overduidelijke jet in beeld hebben gebracht bij M87*, hebben we er bij Sgr A* nog geen kunnen vinden.’
Om Sgr A* te kunnen observeren, heeft de EHT-samenwerking acht telescopen over de hele wereld met elkaar verbonden, om een denkbeeldige telescoop ter grootte van de aarde te creëren: de EHT. De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), waarin ESO partner is, en het door ESO gehoste Atacama Pathfinder Experiment (APEX), beide in het noorden van Chili, maakten deel uit van het netwerk dat de waarnemingen in 2017 heeft verricht. ‘Als grootste en krachtigste telescoop van de EHT heeft ALMA een sleutelrol gespeeld bij het maken van deze opname.’ zegt María Díaz Trigo, Europees ALMA programmawetenschapper bij ESO. ‘ALMA zal binnenkort een ‘extreme makeover’ ondergaan – de Wideband Sensitivity Upgrade – waardoor hij nog gevoeliger wordt en een fundamentele rol zal blijven spelen bij toekomstige EHT-waarnemingen van Sgr A* en andere zwarte gaten.’
De EHT heeft sinds 2017 diverse waarnemingen gedaan en zal Sgr A* in april 2024 opnieuw waarnemen. Naarmate er nieuwe telescopen worden toegevoegd, de bandbreedte wordt vergroot en nieuwe waarnemingsfrequenties worden toegevoegd, zullen de beelden alleen maar beter worden. Met de geplande uitbreidingen voor het komende decennium kunnen hifi-films van Sgr A* worden gemaakt waarop diens verborgen jet te zien zijn en astronomen in staat stellen om vergelijkbare polarisatiekenmerken bij andere zwarte gaten waar te nemen. Als de EHT ondertussen naar de ruimte kan worden uitgebreid, zou dat beelden van zwarte gaten opleveren die scherper zijn dan ooit tevoren.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in twee artikelen van de EHT-samenwerking die vandaag in The Astrophysical Journal Letters zijn gepubliceerd: ‘First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VII. Polarization of the Ring’ (doi: XXX) en ‘First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VIII.: Physical interpretation of the polarized ring’ (doi: XXX). Bij de EHT-samenwerking zijn meer dan 300 onderzoekers uit Afrika, Azië, Europa en Noord- en Zuid-Amerika betrokken. De internationale samenwerking werkt aan het vastleggen van de meest gedetailleerde beelden van zwarte gaten ooit door een denkbeeldige telescoop ter grootte van de aarde te creëren. Gesteund door aanzienlijke internationale investeringen verbindt de EHT bestaande telescopen met behulp van geavanceerde systemen en realiseert zo een fundamenteel nieuw instrument met het hoogste hoek-oplossend vermogen dat ooit is bereikt.
De afzonderlijke telescopen die in april 2017, toen de waarnemingen werden uitgevoerd, deel uitmaakten van de EHT waren: de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), het Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), de 30-meter telescoop van het Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM), 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 de EHT nog de Greenland Telescope (GLT), de IRAM NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) en de UArizona 12-meter telescoop op Kitt Peak aan haar netwerk toegevoegd.
Het EHT-consortium bestaat uit dertien belanghebbende instituten: het Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, de Universiteit van Arizona, de Universiteit van Chicago, de East Asian Observatory, de Goethe-Universität Frankfurt, het Institut de Radioastronomie Millimétrique, de Large Millimeter Telescope, het Max-Planck-Institut für Radioastronomie, het MIT Haystack Observatory, het National Astronomical Observatory of Japan, het Perimeter Institute for Theoretical Physics (Canada), de Radboud Universiteit en het Smithsonian Astrophysical Observatory.
