zwartgat

Een internationaal team van onderzoekers gaat proberen de waarnemingshorizon van een zwart gat te fotograferen en zo eindelijk doorslaggevend bewijs leveren dat zwarte gaten bestaan en al dan niet werken zoals Einstein voorspelde.

Bestaan zwarte gaten? Het lijkt misschien een rare vraag. Er zit er toch één in het hart van onze Melkweg? Recentelijk kon je op Scientias.nl nog lezen dat dit zwarte gat een recordbrekende röntgenuitbarsting bewerkstelligde. Hoe kunnen we dan nu opeens de vraag ‘bestaan zwarte gaten?’ in de groep gooien? Die vraag is toch al lang beantwoord en vergeten? Nee! “Momenteel denken we dat zwarte gaten bestaan,” vertelt onderzoeker Ciriaco Goddi, verbonden aan de Radboud Universiteit Nijmegen, aan Scientias.nl. “Maar ondanks het feit dat de meeste mensen – waaronder zelfs kinderen – van zwarte gaten gehoord hebben, weten we niet of ze bestaan. We hebben nog nooit een zwart gat gezien.” Het vermoeden dat ze bestaan, is gebaseerd op theorieën en indirecte waarnemingen. Zo kunnen we de aanwezigheid van een vermoedelijk zwart gat afleiden uit de wijze waarop materie en straling zich rondom dat vermoedelijke zwarte gat gedraagt. Maar dat zwarte gat zélf zien en misschien zelfs fotograferen: dat is tot op heden onmogelijk gebleken.

Black Hole Cam Project
Goddi en zijn collega’s denken nu echter een manier te hebben bedacht om het bestaan van zwarte gaten te kunnen bewijzen. Ze hebben hun krachten en ideeën gebundeld binnen het Black Hole Cam Project. Een onderzoeksproject dat als doel heeft de waarnemingshorizon rond een zwart gat te fotograferen en zo te bewijzen dat zwarte gaten bestaan. “Als er geen waarnemingshorizon is, bestaan er geen zwarte gaten,” stelt onderzoeker Heino Falcke vast.

De rand rond het zwarte hart in deze artistieke impressie is de waarnemingshorizon. Afbeelding: Ute Kraus (via Wikimedia Commons).

De rand rond het zwarte hart in deze artistieke impressie is de waarnemingshorizon. Afbeelding: Ute Kraus (via Wikimedia Commons).

Zwaartekracht
Een zwart gat is eigenlijk niets anders dan een enorme hoeveelheid materie die in een heel klein gebied verzameld is. Het resultaat is een supersterk zwaartekrachtsveld. Dit zwaartekrachtsveld is zo krachtig dat wanneer het eenmaal grip heeft op materie of zelfs licht dat niet meer kan ontsnappen. Maar een zwart gat kan alleen grip krijgen op bijvoorbeeld licht als het te dicht bij het zwarte gat in de buurt komt. De grens tussen ‘te dicht bij een zwart gat’ en ‘te ver van een zwart gat verwijderd’ noemen we de waarnemingshorizon. Het is een denkbeeldige rand rond een zwart gat en wanneer materie of licht over die grens gaat, kan het nooit meer aan het zwarte gat ontsnappen. “De waarnemingshorizon is een ‘eenrichtingsmembraan’ waardoor fotonen (maar ook andere deeltjes) binnen kunnen gaan, maar niet meer weg kunnen,” vertelt Goddi. “Daarom lijkt de waarnemingshorizon ook donker.”

Sagittarius A*
Welk zwart gat gaan de onderzoekers proberen te fotograferen? Het zwarte gat in het hart van onze eigen Melkweg: Sagittarius A*. Daar hebben ze twee goede redenen voor. Ten eerste is het een vrij groot zwart gat. Ten tweede is het relatief dichtbij. In theorie moet het dan ook mogelijk zijn om dit zwarte gat in beeld te krijgen.

Waarnemingshorizon
Om het bestaan van zwarte gaten aan te kunnen tonen, richten Goddi en zijn collega’s zich op deze waarnemingshorizon. “We weten in theorie dat materiaal dat in het zwarte gat valt, straling afgeeft alvorens het verdwijnt. Dus we verwachten dat de waarnemingshorizon een donkere (en scherpe) schaduw op die heldere ring van licht werpt. De schaduw geeft eigenlijk een (door toedoen van het immens sterke zwaartekrachtsveld rond het zwarte gat verstoord) beeld van de waarnemingshorizon die een diameter heeft van zo’n vijf keer de straal van het zwarte gat. Aangezien zwarte gaten heel compacte objecten zijn, heb je een enorme telescoop nodig om dit beeld te kunnen zien. Zelfs voor het grootste zwarte gat in ons eigen sterrenstelsel hebben we dan een radiotelescoop nodig met een spiegel die net zo breed als de aarde. Dat is overduidelijk onhaalbaar. Gelukkig is het mogelijk om de prestaties van zo’n telescoop ter grootte van de aarde na te bootsen door bestaande radiotelescopen wereldwijd samen te laten werken, zodat een gigantische virtuele telescoop ontstaat.” Met die gigantische virtuele telescoop moet het mogelijk zijn om eindelijk te bewijzen dat zwarte gaten bestaan. “Het doel van ons project is het bouwen van deze ‘Black Hole Camera‘ die voor het eerst een foto van een zwart gat kan maken en de schaduw van de waarnemingshorizon in beeld kan brengen.”

Waarom nu pas?
Misschien vraag je je af waarom het zo lang geduurd heeft voor onderzoekers met dit idee op de proppen kwamen. Dat is goed te verklaren. Pas zeer recentelijk is het mogelijk om dit idee werkelijkheid te laten worden. Met krachtige en zeer gevoelige telescopen zoals ALMA (de recent geopende Atacama Large Millimeter Array in Chili) is het netwerk van radiotelescopen wereldwijd eindelijk gevoelig en krachtig genoeg om beelden met een zeer hoge resolutie te maken die het gebied nabij het superzware zwarte gat in het hart van onze Melkweg beslaan.

“Het onderzoek is ontzettend interessant. Niet in de laatste plaats omdat het Einstein kan tarten”

Heeft Einstein gelijk?
Het onderzoek is – ongeacht wat eruit rolt – ontzettend interessant. Niet in de laatste plaats omdat het Einstein kan tarten. “Zwarte gaten zijn één van de meest fundamentele voorspellingen binnen Einsteins Algemene Relativiteitstheorie die de zwaartekracht beschrijft: één van de belangrijkste krachten die de structuur van ons gehele universum bepaalt. Maar hoewel de Algemene Relativiteitsthorie tot op de dag van vandaag de meest succesvolle zwaartekrachtstheorie is, is het niet de enige zwaartekrachtstheorie. Dus als zwarte gaten daadwerkelijk bestaan, beschrijft Einsteins Algemene Relativiteitstheorie deze extreme objecten dan op de juiste manier? Hebben zwarte gaten inderdaad een waarnemingshorizon? En zijn het werkelijk maar heel simpele objecten die enkel beschreven kunnen worden door hun massa en draaiing? Het beantwoorden van die vragen heeft fundamentele consequenties voor ons begrip van de zwaartekracht en van het gehele universum dat door deze kracht geregeld wordt. Een experiment zoals Black Hole Cam kan onthullen of de Algemene Relativiteitstheorie de correcte en meest accurate theorie is als het gaat om de zwaartekracht.”

Pulsar
De onderzoekers hopen niet alleen de waarnemingshorizon te kieken. Ze willen bovendien graag een pulsar in een baan rond het zwarte gat opsporen. Pulsars zijn compacte, snel roterende neutronensterren. Wanneer we zo’n pulsar rond het zwarte gat in onze Melkweg aantreffen, kunnen we deze gebruiken om de massa en draaisnelheid van het zwarte gat met grote precisie vast te stellen.

Hindernissen
Maar voor de onderzoekers mogen dromen van het bevestigen of omver werpen van Einsteins bekende theorie, zullen ze eerst met foto’s op de proppen moeten komen. En dat klinkt in theorie misschien heel eenvoudig, maar in de praktijk is het niet zo simpel. Er zijn verschillende hindernissen die zullen moeten worden genomen alvorens de gigantische virtuele telescoop met resultaten kan komen. De eerste hindernis is technisch van aard. De radiotelescopen wereldwijd moeten correct op elkaar worden afgestemd, de immense hoeveelheid data die zij met z’n allen verzamelen moet worden verwerkt (tientallen petabytes per telescoop) en geanalyseerd. “Dat vraagt om efficiënte software en krachtige supercomputers.” Een tweede hindernis is het weer. Eigenlijk moet het weer op de standplaats van alle betrokken telescopen goed zijn. En wanneer het weer goed is, moeten de onderzoekers de telescopen eigenlijk direct kunnen gebruiken. “We moeten een systeem bouwen dat ons in staat stelt om een aantal totaal verschillende telescopen vanaf een afstand te bedienen.” De derde hindernis is ook de laatste waar de onderzoekers waarschijnlijk mee te maken krijgen. “Zodra we de resultaten binnenkrijgen, zal de grootste uitdaging zijn om ze in het correcte theoretische raamwerk te interpreteren. Dat zal ook niet gemakkelijk zijn, zeker niet als onze resultaten in strijd zijn met geaccepteerde theorieën zoals de Algemene Relativiteitstheorie.”

De eerste foto van de waarnemingshorizon maken en zo bewijzen dat zwarte gaten bestaan: het is de droom van Goddi en zijn collega’s. Toch zullen de kiekjes nog wel even op zich laten wachten. De eerste waarnemingen staan gepland voor komende maand. Maar ALMA – de meest gevoelige telescoop in de reeks telescopen die gebruikt gaat worden – kan dan nog niet worden ingezet. Pas tegen eind 2016 is ook ALMA er klaar voor. “We hopen in 2017 een foto van de schaduw van een zwart gat te hebben.” En dan zal blijken of Einstein werkelijk zo’n knappe kop was als algemeen wordt aangenomen. “Misschien zal de Algemene Relativiteitstheorie de ultieme zwaartekrachtstheorie blijken te zijn of misschien ontstaat er een nieuwe theorie: we zullen het zien. Eén ding is duidelijk: ons Black Hole Cam Project kan fundamentele resultaten opleveren en onze kijk op tijd en ruimte veranderen.”