Het grootste object aan onze nachtelijke hemel - verreweg! - is voor ons onzichtbaar. Het object is het Super-Massive Black Hole (SMBH) in het centrum van ons Melkwegstelsel, Boogschutter A genaamd. Maar binnenkort hebben we misschien een beeld van de horizon van de Boogschutter A. En dat beeld kan een uitdaging vormen voor Einstein's Theory of General Relativity.
Niemand heeft ooit de horizon van een zwart gat gezien. De intense zwaartekracht voorkomt dat alles, zelfs licht, ontsnapt. De gebeurtenishorizon is het punt van geen terugkeer. Maakt niet uit, geen licht en geen informatie kan ontsnappen. Maar dankzij de Event Horizon Telescope (EHT) zijn we misschien in de buurt van het krijgen van een beeld van de evenementenhorizon van Boogschutter A.
De EHT is een internationale samenwerking die is ontworpen om de directe omgeving van een zwart gat te onderzoeken. Het is niet één telescoop, maar eerder een gekoppeld systeem van radiotelescopen over de hele wereld die allemaal samenwerken met behulp van interferometrie. Door de elektromagnetische energie uit de regio rond het zwarte gat te meten met meerdere radiogolven op meerdere locaties, kunnen enkele eigenschappen van de bron worden afgeleid.
Onderzoekers met de EHT hopen dat hun waarnemingen uiteindelijk beelden zullen opleveren van de intense zwaartekrachteffecten die we in de buurt van het zwarte gat verwachten te zien. Ze hopen ook een deel van de dynamiek te detecteren die in de buurt van het gat werkt, aangezien de baan van de materie in de aanwasschijf relativistische snelheid bereikt.
Het EHT-project verzamelde gegevens over Boogschutter A en een ander zwart gat genaamd M87 in het centrum van het sterrenstelsel Maagd A, over een periode van vier jaar. Die vier jaar eindigden in april 2017, maar het team van 200 wetenschappers en ingenieurs analyseert de gegevens nog steeds. In de tussentijd heeft het team afbeeldingen van computermodellen vrijgegeven van wat ze hopen te zien.
Het beeld lijkt misschien niet veel, maar het is significant. Het is het equivalent van het lezen van een krantenkop op de maan terwijl je op aarde staat. De afbeelding kan ons helpen enkele verwarrende vragen over zwarte gaten te beantwoorden:
- Welke rol speelden zwarte gaten bij de vorming van sterrenstelsels?
- Hoe zien licht en materie eruit als ze naar een zwart gat vallen?
- Wat zijn de energiestromen die uit zwarte gaten schieten?
Er is ook een kans dat de afbeelding die EHT van Boogschutter A maakt, betekent dat Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie moet worden bijgewerkt. (Hoewel het meestal een slecht idee is om tegen Einstein in te zetten.)
Black Holes en de Event Horizon
Zwarte gaten zijn in feite het lijk van een ster. Wanneer een zeer zware ster door al zijn brandstof brandt, stort hij in tot een extreem dicht punt of singulariteit. Het zwarte gat heeft een ongelooflijk krachtige zwaartekracht, die gas en stof naar zich toe trekt. Eens in de 10.000 jaar of zo, verbruikt Boogschutter A zelfs een ster.
De horizon van de gebeurtenis is als een schelp rond het zwarte gat. Zodra een kwestie - of zelfs maar licht - de horizon van het evenement bereikt, is het spel voorbij. Het zwarte gat wordt groter naarmate het materie verbruikt, en de horizon van de gebeurtenis breidt zich ook uit.
Boogschutter A, ons eigen Super-Massive Black Hole (SMBH), is enorm. Het heeft een massa van 4 miljoen keer groter dan de zon. Maar toch is het niet zo groot in vergelijking met andere SMBH's. De andere SMBH in het EHT-project is veel groter, met een massa van 7 miljard keer die van de zon.
De EHT zal een beeld geven van de horizon van het evenement door het gebied rond het zwarte gat te bestuderen. Er gebeurt iets met het materiaal als het in het zwarte gat valt. Het vormt een accretieschijf van wervelend gas en stof die zich in feite in een vasthoudpatroon bevindt totdat het in het gat wordt gezogen. Dat materiaal versnelt tot relativistische snelheden, wat betekent dicht bij de lichtsnelheid. Wanneer dat gebeurt, wordt het materiaal oververhit en geeft het energie af.
Maar het zwarte gat is door zwaartekracht zo krachtig dat het dat licht buigt in een fenomeen dat zwaartekrachtlensing wordt genoemd. Deze lensing creëert een donker gebied dat de schaduw van het zwarte gat wordt genoemd. Volgens de theorie zou de gebeurtenishorizon ongeveer 2,5 keer groter moeten zijn dan de schaduw. Dus zodra wetenschappers een beeld van de schaduw hebben, weten ze hoe groot de horizon van de gebeurtenis is. De grootte van de gebeurtenishorizon is evenredig met de massa van het zwarte gat. Dus in het geval van Boogschutter A, zou deze ongeveer 24 miljoen km (15 miljoen mijl) in diameter moeten zijn.
Er zullen dus geen afbeeldingen zijn van het zwarte gat zelf, maar er zullen afbeeldingen zijn van de schaduw die het zwarte gat werpt. Wetenschappelijk gezien is dat een grote sprong voorwaarts in ons begrip van zwarte gaten. En als er enige twijfel bestaat over het bestaan van zwarte gaten, zal het beeld van de schaduw een solide bewijs zijn dat er inderdaad zwarte gaten zijn.
De EHT en de Jets
Ondanks de enorme omvang van Boogschutter A, is hij klein in de lucht. Het is veel te klein om een enkele telescoop te zien. Daarom is de EHT geïmplementeerd. Het combineert 7 afzonderlijke radiotelescopen over de hele wereld tot één grote virtuele telescoop met behulp van een techniek genaamd Very Long Baseline Interferometry (VLBI), iets waar astronomieliefhebbers bekend mee zijn. De virtuele telescoop heeft een veel groter oplossend vermogen dan een enkele telescoop en stelde astronomen in staat het gebied bij Sgr te bestuderen. EEN.
Tijdens een periode van een week in april 2017 wees het EHT-team alle zeven van zijn ‘scopes op Sgr A, en zeven atoomklokken registreerden de timing van de aankomst van signalen bij elke telescoop. Door de signalen te bestuderen en te combineren, kunnen wetenschappers een foto maken van Sgr A. Dit is een tijdrovend proces dat aan de gang is.
De energetische stralen die uit de omgeving van een zwart gat stromen, zijn van bijzonder belang voor onderzoekers. De materie die ronddraait in de aanwasschijf van een zwart gat warmt op tot miljarden graden. Een deel ervan komt het zwarte gat binnen, maar niet alles.
De energetische stralen zijn het deel dat ontsnapt aan de accretieschijf. Ze reizen tienduizenden lichtjaren in de buurt van de lichtsnelheid. Wetenschappers willen er meer over weten.
Als het gaat om Sgr. A, we weten niet of er jets zijn. Het is de afgelopen decennia niet erg actief geweest, dus er zijn mogelijk geen jets. Maar als ze er zijn, zal de EHT de radiosignalen opvangen. Dan krijgen we misschien antwoorden op enkele fundamentele vragen over de jets:
- Hoe beginnen ze?
- Hoe versnellen ze tot relativistische snelheden?
- Hoe blijven ze strak gefocust?
- Waar zijn ze precies van gemaakt?
Is Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie in moeilijkheden?
Waarschijnlijk niet. Maar er is een kans.
Het grootste deel van ons zonnestelsel is een vrij prozaïsche, alledaagse plek. En dat is waar het meeste van ons observationele bewijs ter ondersteuning van algemene relativiteit vandaan komt. Maar de regio rond een zwart gat is geen normale buurt.
De omstandigheden zijn extreem. Intense zwaartekracht, oververhitte materiaalstralen die met de snelheid van het licht bewegen en de horizon van de gebeurtenis. Maar bij algemene relativiteit gaat het meestal om zwaartekracht en licht.
General Relativity voorspelt dat de zwaartekracht van het zwarte gat de ruimtetijd zal krommen en alles naar zich toe zal trekken, inclusief licht. De door EHT verzamelde gegevens zullen metingen van dit fenomeen opleveren die kunnen worden vergeleken met de voorspellingen van Einstein. Als de gegevens overeenkomen met de voorspellingen, wint Einstein opnieuw.
Algemene relativiteitstheorie doet nog een voorspelling: de schaduw die door de accretieschijf wordt geworpen, moet cirkelvormig zijn. Als het niet cirkelvormig is en meer een eivormig is, zijn de formules in Algemene relativiteit niet helemaal nauwkeurig.
John Wardle is een astronoom die al tientallen jaren zwarte gaten bestudeert, toen ze nog maar een theoretisch construct waren. Hij is nauw betrokken bij het EHT-project. Wardle denkt dat General Relativity deze test zal doorstaan en dat Einstein opnieuw zal winnen. Maar als General Relativity deze test niet doorstaat, bevinden we ons in een zeer moeilijke en vreemde situatie.
"Dan zitten we in een strakke rechte jas omdat je geen veranderingen kunt aanbrengen die alle andere dingen die wel werken in de war sturen", zei Wardle. 'Dat zou heel spannend zijn.'
- Brandeis University Press Release: "Hoe ziet een zwart gat eruit?"
- Event Horizon Telescope
- Wikipedia-vermelding: interferometrie
- Wikipedia-vermelding: Event Horizon
