Zwart gat een jaar later: bewijs hardnekkige schaduw
De helderheidspiek van de ring om het superzware zwarte gat van M87 is in een jaar tijd 30 graden tegen de klok in verschoven. Dat blijkt uit nieuwe beelden die het consortium van de Event Horizon Telescope heeft vrijgegeven.
Het samenwerkingsverband van de Event Horizon Telescope (EHT), met bijdragen van Nederlandse sterrenkundigen, heeft nieuwe beelden getoond van M87*, het superzware zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel Messier 87, met behulp van gegevens van waarnemingen uit april 2018. Dankzij de deelname van de onlangs in gebruik genomen Greenland Telescope en een drastisch verbeterde opnamesnelheid over de hele reeks telescopen, geven de waarnemingen van 2018 een onafhankelijke bevestiging van de eerste waarnemingen in 2017.
In een recent artikel getiteld The persistent shadow of the supermassive black hole of M87 in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics worden nieuwe beelden van de gegevens van 2018 gepresenteerd. Ze laten de bekende ring zien van dezelfde grootte als de ring die in 2017 is waargenomen. Deze heldere ring omringt een diepe centrale depressie, 'de schaduw van het zwarte gat', zoals voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Opwindend genoeg is de helderheidspiek van de ring ongeveer 30 graden verschoven ten opzichte van de beelden uit 2017. Dat komt overeen met het theoretische begrip van de variabiliteit van turbulent materiaal rond zwarte gaten.
De schaduw van een zwart gat
‘Een fundamentele vereiste van de wetenschap is om resultaten te kunnen reproduceren,’ zegt dr. Keiichi Asada, onderzoeker aan het Academia Sinica Instituut voor Astronomie en Astrofysica in Taiwan. ‘De bevestiging van de ring in een compleet nieuwe dataset is een enorme mijlpaal voor onze samenwerking en een sterke aanwijzing dat we kijken naar de schaduw van een zwart gat en het materiaal dat eromheen draait.’
In 2017 heeft de EHT voor het eerst een zwart gat in beeld gebracht. Dit object, M87*, is het kloppende hart van het reusachtige elliptische sterrenstelsel Messier 87 en staat 55 miljoen lichtjaar van de aarde vandaan. Het beeld van het zwarte gat onthulde een heldere cirkelvormige ring, helderder in het zuidelijke deel van de ring. Verdere analyse van de gegevens onthulde ook de structuur van M87* in gepolariseerd licht, waardoor sterrenkundigen meer inzicht kregen in de geometrie van het magnetische veld en de aard van het plasma rond het zwarte gat.
Het nieuwe tijdperk van directe beeldvorming van zwarte gaten, aangevoerd door de uitgebreide analyse van de waarnemingen van M87* in 2017, opende een nieuw venster waarmee wetenschappers de astrofysica van zwarte gaten kunnen onderzoeken en waarmee ze de algemene relativiteitstheorie op een fundamenteel niveau kunnen testen. Theoretische modellen vertellen dat de toestand van het materiaal rond M87* niet gecorreleerd zou moeten zijn tussen 2017 en 2018. Meerdere waarnemingen van M87* zullen dus helpen om onafhankelijke beperkingen op te leggen aan de plasma- en magneetveldstructuur rond het zwarte gat en daarbij de ingewikkelde astrofysica te ontwarren van de effecten van algemene relativiteit.
Telescopen in Groenland en Mexico
Om nieuwe en spannende wetenschap tot stand te helpen brengen, wordt de EHT voortdurend verder ontwikkeld. De Greenland Telescope is in 2018 voor het eerst bij de EHT gekomen, slechts vijf maanden nadat de bouw ervan, ver boven de poolcirkel, was voltooid. Deze nieuwe telescoop heeft de netwerkdekking in de noord-zuidrichting en de betrouwbaarheid van de EHT-array aanzienlijk verbeterd. De Large Millimeter Telescope in Mexico deed ook voor het eerst mee met zijn gevoelige 50 meter-oppervlak, waardoor de robuustheid sterk verbeterde. De EHT werd ook geüpgraded om waar te nemen in vier frequentiebanden rond 230 GHz, vergeleken met slechts twee banden in 2017.
Herhaalde waarnemingen met een verbeterde netwerk zijn essentieel om de robuustheid van bevindingen aan te tonen en vertrouwen in resultaten te versterken. Naast de baanbrekende wetenschap dient de EHT ook als proeftuin voor technologische ontwikkelingen in hoogfrequente radio-interferometrie.
‘Het bevorderen van wetenschappelijke inspanningen vereist een voortdurende verbetering van de gegevenskwaliteit en analysetechnieken,’ zegt Rohan Dahale, promovendus aan het Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) in Spanje. ‘De toevoeging van de Greenland Telescope in ons netwerk vulde kritieke gaten in de telescoop, ter grootte van de aarde. De waarnemingen van 2021, 2022 en het komende jaar 2024 getuigen van verbeteringen aan het netwerk en voeden ons enthousiasme om de grenzen van de astrofysica van zwarte gaten te verleggen.’
Onafhankelijk beeldvormings- en modelleringstechnieken
De analyse van de gegevens van 2018 bevat acht onafhankelijke beeldvormings- en modelleringstechnieken. Daaronder zijn methoden van de 2017-analyse van M87*, en nieuwe die zijn ontwikkeld op basis van de ervaring van het samenwerkingsverband met de analyse van Sgr A*, het zwarte gat in het centrum van onze Melkweg.
De opname van M87* uit 2018 lijkt opvallend veel op wat de onderzoekers in 2017 zagen. De opname toont een heldere ring van dezelfde grootte, met een donker centraal gebied en één kant van de ring helderder dan de andere. De massa en afstand van M87* zullen gedurende een mensenleven niet merkbaar toenemen, dus algemene relativiteit voorspelt dat de ringdiameter van jaar tot jaar hetzelfde moet blijven. De stabiliteit van de gemeten diameter in de beelden van 2017 tot 2018 ondersteunt de conclusie dat M87* beschreven kan worden met de algemene relativiteitstheorie.
‘Een van de opmerkelijke eigenschappen van een zwart gat is dat zijn straal sterk afhankelijk is van slechts één grootheid: zijn massa,’ zegt dr. Nitika Yadlapalli Yurk, voormalige promovendus aan het California Institute of Technology (Caltech), nu postdoctoraal onderzoeker aan het Jet Propulsion Laboratory in Californië. ‘Omdat M87* niet snel materiaal aangroeit (waardoor zijn massa zou toenemen), vertelt algemene relativiteit ons dat zijn straal redelijk onveranderd zal blijven in de loop van de geschiedenis van de mensheid. Het is erg opwindend om te zien dat onze gegevens deze voorspelling bevestigen.’
Hoewel de grootte van de schaduw van het zwarte gat niet veranderde tussen 2017 en 2018, veranderde de locatie van het helderste gebied rond de ring wel aanzienlijk. Het heldere gebied draaide ongeveer 30º tegen de klok in en komt uit in het rechteronderste deel van de ring op ongeveer de 5 uur-positie. Historische waarnemingen van M87* met een minder gevoelige array en minder telescopen gaven ook aan dat de schaduwstructuur jaarlijks verandert (Wielgus 2020, ApJ, 901, 67), maar met minder precisie. Het EHT-netwerk in 2018 kan nog steeds de jet die uit M87* komt niet kan waarnemen. Desalniettemin komt de spin-as van het zwarte gat die voorspeld wordt op basis van de locatie van het helderste gebied rond de ring meer overeen met de jet-as die op andere golflengten gezien wordt.
Volgens voorspelling
‘De grootste verandering, dat de helderheidspiek rond de ring verschoof, is eigenlijk iets wat we voorspelden toen we de eerste 2017-resultaten in 2019 publiceerden,’ zegt dr. Britt Jeter, een postdoc aan het Academia Sinica Institute for Astronomy and Astrophysics in Taiwan. ‘Hoewel algemene relativiteit zegt dat de ringgrootte redelijk gelijk moet blijven, zal de uitstoot van de turbulente, rommelige accretieschijf rond het zwarte gat ervoor zorgen dat het helderste deel van de ring wiebelt rond een gemeenschappelijk centrum. De hoeveelheid wiebels die we in de loop van de tijd zien, kunnen we gebruiken om onze theorieën over het magnetische veld en de plasma-omgeving rond het zwarte gat te testen.’
Over Event Horizon Telescope
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 virtuele telescoop ter grootte van de aarde te creëren. Gesteund door aanzienlijke internationale investeringen verbindt de EHT bestaande telescopen met behulp van nieuwe systemen, waardoor een fundamenteel nieuw instrument ontstaat met het hoogste hoekoplossende vermogen dat ooit is bereikt.
De bij de EHT betrokken telescopen zijn ALMA, APEX, de IRAM 30-meter telescoop, het IRAM NOEMA observatorium, de James Clerk Maxwell telescoop (JCMT), de Large Millimeter Telescope (LMT), de Submillimeter Array (SMA), de Submillimeter Telescope (SMT), de South Pole Telescope (SPT), de Kitt Peak Telescope en de Greenland Telescope (GLT). De gegevens werden gecorreleerd aan het Max-Planck-Institut für Radioastronomie (MPIfR) en MIT Haystack Observatory. De nabewerking werd binnen de samenwerking uitgevoerd door een internationaal team op verschillende instituten.
Het EHT-consortium bestaat uit 13 belanghebbende instituten: het Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, de Universiteit van Arizona, de Universiteit van Chicago, het East Asian Observatory, Goethe-Universitaet Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max Planck Institute for Radio Astronomy, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud Universiteit en het Smithsonian Astrophysical Observatory.
Michael Janssen, universitair docent aan de Radboud Universiteit en verbonden aan MPI für Radioastronomie in Duitsland, coördineerde het artikel en was betrokken bij het kalibreren van de gegevens: ‘Voor deze dataset hebben we ook verschillende beeldvormings- en kalibratiemethoden gebruikt om de degelijkheid van onze resultaten aan te tonen.’ Hij vervolgt: ‘Dit nieuwe beeld getuigt van de hardnekkigheid en stabiliteit van de schaduw van M87*. Dat is precies wat we verwachtten van een zwart gat. De intrigerende rotatie in de helderheidsasymmetrie geeft ons vertrouwen in ons begrip van de accretiestroom en de oriëntatie van de rotatie van het zwarte gat.’
Nederlandse inbreng
Nederlandse onderzoeksinstituten leveren topbijdragen aan de EHT. Sterrenkundigen van de Universiteit van Amsterdam, Universiteit Leiden, Rijksuniversiteit Groningen, Radboud Universiteit en het Joint Institute for VLBI-ERIC spelen een sleutelrol in de samenwerking. De Radboud Universiteit, met Nederlandse, Namibische, Britse en Finse partners bouwen ook aan de volgende toevoeging aan het EHT-netwerk in Namibië: de Africa Millimetre Telescope.
Hoewel alle tot nu toe gepubliceerde artikelen over de EHT een analyse bevatten van de eerste waarnemingen in 2017, vertegenwoordigt dit resultaat de eerste pogingen om de vele extra jaren van gegevens die de wetenschappers hebben verzameld te onderzoeken. Naast 2017 en 2018 heeft de EHT succesvolle waarnemingen gedaan in 2021 en 2022 en staat er een waarneming gepland in de eerste helft van 2024. Elk jaar is de EHT-array op de een of andere manier verbeterd, door de toevoeging van nieuwe telescopen, betere hardware of extra waarneemfrequenties. Het samenwerkingsverband werkt er hard aan om al deze gegevens te analyseren en hoopt in de toekomst meer resultaten te tonen.
Wetenschappelijk artikel
The persistent shadow of the supermassive black hole of M87. Door: Event Horizon Telescope Collaboration. In: Astronomy & Astrophysics, 18 januari 2024
Dit artikel verscheen als persbericht op de website van de Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA).