De Event Horizon Telescope (EHT) – een wereldwijde array van acht radiotelescopen die door internationale samenwerking tot stand is gekomen – is ontworpen om beelden te maken van een zwart gat. Vandaag maken onderzoekers van de EHT, via gecoördineerde persconferenties over de hele wereld, bekend dat ze hun doel hebben bereikt. Ze presenteren het eerste directe visuele bewijs van een superzwaar zwart gat en zijn schaduw. Deze doorbraak is vandaag aangekondigd in een reeks van zes artikelen die vandaag in een speciaal nummer van The Astrophysical Journal Letters worden gepubliceerd.
De foto toont het zwarte gat in het centrum van Messier 87 [1], een kolossaal sterrenstelsel in de nabije Virgocluster. Het zwarte gat is 55 miljoen lichtjaar van de aarde verwijderd en heeft 6,5 miljard keer zoveel massa als de zon [2] De EHT verbindt radiotelescopen die verspreid over de aarde staan opgesteld, om zo een virtuele telescoop te vormen die zo groot is als onze planeet [3]. De EHT geeft wetenschappers een nieuw middel om de meest extreme objecten in het heelal te onderzoeken. Het bestaan van deze objecten is een voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie, die precies honderd jaar geleden is geslaagd voor zijn eerste experimentele toets [4]. ‘We hebben voor het eerst een foto gemaakt van een zwart gat,’ zegt EHT-projectdirecteur Sheperd S. Doeleman van het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. ‘Dit is een buitengewoon staaltje wetenschap, volbracht door een team van meer dan 200 onderzoekers.’
Zwarte gaten zijn uitzonderlijke kosmische objecten met enorme massa’s, maar extreem compacte afmetingen. Deze objecten beïnvloeden hun omgeving op extreme wijze. Ze vervormen de ruimtetijd en verhitten het hen omringende materiaal tot enorm hoge temperaturen. ‘In een heldere omgeving, zoals een schijf van gloeiend gas, verwachten we dat een zwart gat een donker gebied veroorzaakt, vergelijkbaar met een schaduw – iets dat voorspeld is door Einsteins algemene relativiteitstheorie, maar dat we tot nu toe nog nooit hadden gezien,’ legt Heino Falcke van de Radboud Universiteit en voorzitter van de wetenschappelijke raad van de EHT uit. ‘Deze schaduw, veroorzaakt door het gravitationeel afbuigen en invangen van licht door de waarnemingshorizon, openbaart veel over de aard van deze fascinerende objecten en heeft ons in staat gesteld om de enorme massa van het zwarte gat in M87 te meten.’ Diverse kalibratie- en beeldweergavemethoden hebben het bestaan aan het licht gebracht van een ringachtige structuur met een donker centraal gebied – de schaduw van het zwarte gat – dat gedurende meerdere onafhankelijke EHT-waarnemingen standhield. ‘Toen we ervan overtuigd waren dat we de schaduw hadden vastgelegd, konden we ons resultaat vergelijken met een omvangrijke computermodellen die rekening houden met de fysica rond kromme ruimtes, oververhitte materie en sterke magnetische velden,’ aldus Paul T.P. Ho, EHT-bestuurslid en directeur van de East Asian Observatory. Luciano Rezzolla, EHT-bestuurslid, werkzaam bij de Goethe Universität in Duitsland voegt toe: ‘De waargenomen opname is in goede overeenstemming met ons theoretische begrip, wat ons vertrouwen geeft in de interpretatie van onze waarnemingen, inclusief onze schatting van de massa van het zwarte gat.’
Het opzetten van de EHT was een formidabele uitdaging, waarbij acht reeds bestaande radiotelescopen op allerlei uitdagende locaties moesten worden geüpgraded en op elkaar moesten worden afgestemd. Het gaat daarbij onder meer om vulkanen op Hawaï en in Mexico, bergen in Arizona en de Spaanse Sierre Nevada, de Chileense Atacama-woestijn en Antarctica. Bij de EHT-waarnemingen wordt gebruik gemaakt van een techniek die Very Long Baseline Interferometry (VLBI) wordt genoemd. Bij deze techniek worden ver uiteen gelegen telescoopfaciliteiten met elkaar gesynchroniseerd en wordt de draaiing van onze planeet benut om één enorme radiotelescoop ter grootte van de aarde na te bootsen voor waarnemingen op een golflengte van 1,3 millimeter. Op die manier bereikt de EHT een hoekoplossend vermogen van 20 microboogseconden – voldoende om vanuit een café in Parijs een krant in New York te kunnen lezen. De telescopen die aan dit resultaat hebben bijgedragen zijn ALMA, APEX, de 30-meter IRAM-telescoop, de James Clerk Maxwell Telescope, de Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, de Submillimeter Array, de Submillimeter Telescope en de South Pole Telescope [6]. De petabytes aan ruwe data die met deze telescopen zijn verzameld, zijn met behulp van speciale supercomputers van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie en het MIT Haystack Observatory verwerkt. Europese faciliteiten en fondsgelden hebben een cruciale rol gespeeld bij deze wereldwijde inspanning met deelname van geavanceerde Europese telescopen en de steun van de Europese onderzoeksraad – met name een subsidie van 14 miljoen euro voor het BlackHoleCam project [7]. Ook de steun van ESO, IRAM en de Max-Planck-Gesellschaft speelde een sleutelrol. ‘Dit resultaat bouwt voort op decennia van Europese expertise op het gebied van de millimeter-astronomie’, licht Karl Schuster, directeur van IRAM en lid van het EHT-bestuur.
De totstandkoming van de EHT en de vandaag gepresenteerde waarnemingen vormen het hoogtepunt van decennia van observationele, technische en theoretische inspanningen. Dit voorbeeld van wereldwijde samenwerking vereiste een nauwe samenwerking tussen onderzoekers uit alle windstreken. Dertien partnerinstituten hebben samengewerkt om de EHT te kunnen realiseren. Belangrijke fondsgelden zijn toegekend door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF), de onderzoeksraad van de Europese Unie (ERC) en financieringsinstanties in Oost-Azië [8]. ‘ESO is blij dat zij, vanuit haar leidende Europese positie en haar cruciale rol in twee van de EHT-telescopen in Chili – ALMA en APEX – zo’n belangrijke bijdrage heeft mogen leveren aan dit resultaat,’ aldus ESO’s directeur-generaal Xavier Barcons. ‘ALMA is de meest gevoelige faciliteit binnen de EHT en zijn 66 uiterst nauwkeurige antennes waren doorslaggevend om de EHT tot een succes te maken.’ ‘We hebben iets bereikt dat nog maar een generatie geleden onmogelijk leek,’ concludeert Doeleman. ‘Technologische doorbraken en innovatieve algoritmes kwamen bijeen om een compleet nieuw venster op zwarte gaten en hun waarnemingshorizonnen te openen.’
Noten
[1] De schaduw van een zwart gat is de dichtste benadering van een foto van het zwarte gat zelf. Aan dat donkere object kan immers geen licht ontsnappen. De grens van het zwarte gat – de waarnemingshorizon waaraan de EHT zijn naam ontleent – is ongeveer 2,5 keer kleiner dan de schaduw die het werpt en heeft een middellijn van iets minder dan 40 miljard kilometer.
[2] Superzware zwarte gaten zijn relatief kleine astronomische objecten, wat hen tot nu toe niet rechtstreeks waarneembaar maakte. Omdat de omvang van de waarnemingshorizon van een zwart gat evenredig is met zijn massa, is ook de schaduw van een zwart gat groter naarmate het meer massa heeft. Vanwege zijn enorme massa en relatieve nabijheid was de verwachting dat het zwarte gat in M87 een van de grootste zou zijn die we vanaf de aarde kunnen zien. Dat maakte het tot een perfect doelwit van de EHT.
[3] Hoewel de radiotelescopen niet rechtstreeks met elkaar in verbinding staan, kunnen de data die zij verzamelen met behulp van atoomklokken – zogeheten waterstofmasers – uiterst nauwkeurig met elkaar worden gesynchroniseerd. Deze waarnemingen werden tijdens een wereldwijde campagne in 2017 op een golflengte van 1,3 millimeter verzameld. Elke telescoop van de EHT produceerde enorme hoeveelheden data – ruwweg 350 terabyte per dag – die werden opgeslagen op snelle, met helium gevulde harde schijven. Deze data werden vervolgens overgevlogen naar speciale supercomputers – zogeheten correlators – van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie en het MIT Haystack Observatory om met elkaar te worden gecombineerd. Vervolgens werden ze met baanbrekende rekenmethoden, ontwikkeld door de EHT-samenwerking zelf, zorgvuldig omgezet in een afbeelding.
[4] Honderd jaar geleden gingen twee expedities op weg naar het eiland Principe voor de kust van Afrika en Sobral in Brazilië om de totale zonsverduistering van 1919 waar te nemen. Het doel daarvan was om de voorspelling van de algemene relativiteitstheorie te toetsen dat sterlicht dat vlak langs de rand van de zon gaat wordt afgebogen. Op enigszins vergelijkbare wijze heeft de EHT zijn teamleden naar enkele van de hoogste en meest afgelegen plekken ter wereld gestuurd om ons begrip van de zwaartekracht opnieuw op de proef te stellen.
[5] Toekomstige EHT-waarnemingen zullen een aanzienlijke toename in gevoeligheid laten zien dankzij de deelname van het IRAM NOEMA Observatory, de Greenland Telescope en de Kitt Peak Telescope.
[6] ALMA is een partnerschap van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO, namens haar lidstaten), de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, samen met de National Research Council of Canada (NRC), het Taiwanese Ministerie van Wetenschap en Technologie (MOST), het Academia Sinica Instituut voor Astronomie en Astrofysica (ASIAA; Taiwan) en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republiek Korea), in samenwerking met de Republiek Chili. APEX wordt beheerd door ESO, de 30-meter telescoop door IRAM (de IRAM-partnerorganisaties zijn MPG (Duitsland), CNRS (Frankrijk) en IGN (Spanje)), de James Clerk Maxwell Telescope door het EAO, de Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano door INAOE en UMass, de Submillimeter Array door SAO en ASIAA en de Submillimeter Telescope door het Arizona Radio Observatory (ARO). De South Pole Telescope wordt beheerd door de Universiteit van Chicago, met speciale EHT-instrumentatie geleverd door de Universiteit van Arizona.
[7] BlackHoleCam is een door de Europese Unie gefinancierd project om astrofysische zwarte gaten te onderzoeken en in beeld te brengen. Het belangrijkste doel van de BlackHoleCam en de Event Horizon Telescope (EHT) is om de allereerste opnamen te maken van het miljarden zonsmassa’s zware zwarte gat in het nabije sterrenstelsel M87 en diens kleinere soortgenoot Sagittarius A*, het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Op die manier kan de vervorming van de ruimtetijd die een zwart gat veroorzaakt met grote precisie worden gemeten.
[8] Als partner in het EHT-project vertegenwoordigt het East Asian Observatory (EAO) de deelname van vele Aziatische landen, waaronder China, Japan, Korea, Taiwan, Vietnam, Thailand, Maleisië, India en Indonesië.
