De komende weken gaat een netwerk van radiotelescopen, verspreid over de halve aardbol, simultaan opnamen maken van het zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel.

De komende weken gaat een netwerk van radiotelescopen, verspreid over de halve aardbol, simultaan opnamen maken van het zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel. Met wat geluk levert dat voor het eerst een echte foto op, want ja: al die sexy plaatjes die je eerder van zwarte gaten zag, waren science fiction.

31 maart 2017

Simulatie van de foto die de *Event Horizon Telescope* zou kunnen maken van het zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel. Rond het zwarte gat draait een gloeiend hete schijf van invallend gas en stof. Vanwege de extreme kromming van de ruimte, zien we van deze schijf zowel de voor- als de achterkant. Het beeld is asymmetrisch, omdat de linkerhelft van die schijf met bijna de lichtsnelheid naar ons toe draait, de andere helft van ons af. Door die beweging naar ons toe wordt het licht in onze richting gebundeld, zodat die helft veel helderder lijkt.
Bronzwaer/Davelaar/Moscibrodzka/Falcke, Radboud University

Na jaren van voorbereiding moet het tussen 5 en 14 april echt gaan gebeuren: de Event Horizon Telescope (EHT) gaat zijn eerste waarnemingen doen. De EHT is een virtuele telescoop, die bestaat uit acht elektronisch aan elkaar geschakelde, over de hele wereld verspreide radiotelescopen. In het netwerk zitten onder andere een grote telescoop in Spanje, in Chili en zelfs een telescoop op Antarctica.

Relatief klein

Eerste doelwit van de EHT is Sagittarius A*, het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg, het sterrenstelsel waarin wij zelf wonen. Dit zwarte gat is eigenlijk nog een lichtgewicht (vier miljoen keer de massa van de zon) vergeleken met het tweede doel: het zwarte gat in het centrum van sterrenstelsel M87, dat misschien wel zes miljard keer zo zwaar is als de zon. Hoewel Sagittarius A* veel massa bevat, is het qua afmetingen heel klein, ongeveer zeventien keer zo groot als de zon, en het staat op een afstand van 30.000 lichtjaren. Dit betekent dat het veel te klein is om met één telescoop waar te nemen. Bovendien kan dat niet in zichtbaar licht, omdat dit door al het gas en stof rond het centrum wordt tegengehouden.

Heino Falcke, werkzaam aan de Radboud Universiteit in Nijmegen, bedacht jaren geleden dat het wél moest kunnen met een telescoop die millimeterstraling detecteert, het soort straling dat in scanners op vliegvelden door je kleren heen kijkt. En dan was er nog een lastige detail: slechts een telescoopschotel zo groot als de aarde zou voldoende scherp kunnen zien om een foto van het zwarte gat te maken. Maar dat is ook te ondervangen met VLBI (zie ook kader onderaan). VLBI houdt in dat je een netwerk van telescopen digitaal zodanig aan elkaar schakelt, dat ze in sommige opzichten functioneren als één telescoop die net zo groot is als het hele netwerk.

Dankbaar

Dat de EHT het zwarte gat in de Melkweg kan zien, is volgens Falcke een zeer gelukkige samenloop van omstandigheden. De golflengte van de radiostraling die door al het gas tussen de sterren heen kan dringen is net klein genoeg, en de aarde net groot genoeg, om een zwart gat van deze grootte en op deze afstand nog net te kunnen onderscheiden. Geen Intelligent Design, stelt Falcke, die gelovig is (en naast astronoom zelfs lekenprediker in zijn kerk): “Maar je mag wel dankbaar zijn.”

Als op alle locaties het weer meewerkt, wil men twee nachten opnamen maken van Sagittarius A*, en twee nachten van onder meer M87. En als het allemaal lukt, wat voor foto gaan we dan zien? Falcke: “Het zwarte gat zelf is maar twee pixels breed. Maar eigenlijk levert zo’n netwerk van telescopen geen foto met afzonderlijke pixels op. Het lijkt meer op een heel sterk gecomprimeerd JPEG-plaatje van het zwarte gat en zijn omgeving.” Het zal nog wel tot volgend jaar duren eer het EHT-team met de eerste resultaten naar buiten komt. Sowieso komen de data van de telescoop in Antarctica pas in oktober of november binnen.

Relativiteitstheorie

Deze eerste opname is in ieder geval het begin van een jarenlange waarnemingscampagne, waarin men Sagittarius A* en andere superzware zwarte gaten steeds scherper in beeld hoopt te krijgen. Als we voor het eerst echt kunnen zien wat er gebeurt in de razendsnel roterende schijf materie rond een zwart gat, is dat een nieuwe test voor Einsteins algemene relativiteitstheorie.

Eigenlijk begrijpen astronomen en fysici nog nauwelijks hoe de enorme jets (straalstromen) ontstaan die superzware zwarte gaten langs hun rotatieas uitspuwen. Het zou kunnen, dat dit fysisch alleen goed te verklaren is als we het verband beter begrijpen tussen de relativiteitstheorie – die grote objecten als een zwart gat beschrijft – en de quantumtheorie, die het gedrag van elementaire deeltjes beschrijft.

De millimetertelescoop IRAM in Spanje, een van de telescopen in het EHT-netwerk.
JoseMsojo, Wikipedia, CC 4.0

Sponsors gezocht

Falcke en zijn collega’s zijn nog druk bezig om het EHT-netwerk uit te breiden. Ze zoeken sponsors – eventueel particulier – om een extra telescoop te bouwen in Namibië. De benodigde middelgrote telescoop met een schotel van een meter of twaalf is tegenwoordig ‘van de plank’ te koop, en is dus relatief goedkoop. Falcke: “Zo’n telescoop in Namibië erbij maakt qua gevoeligheid van de EHT weinig uit, maar qua spreiding van het netwerk over de aarde is hij net zo belangrijk als ALMA in Chili, die anderhalf miljard euro gekost heeft.” Overigens wordt ALMA voor nog veel meer astronomische waarnemingen gebruikt.

Maar waarom zou je je laten beperken door de afmetingen van de aarde? Falcke: “Over een paar weken presenteren we bij Estec, in Noordwijk, het final report over een plan om twee satellieten met millimeter-telescopen aan boord te lanceren. Als die in een baan op zo’n 14.000 kilometer van de aarde komen, kunnen we de EHT nog veel krachtiger maken. Het zou een relatief goedkope ruimtemissie kunnen zijn, veel goedkoper dan bijvoorbeeld de Hubble-ruimtetelescoop.”

Very Long Baseline Interferometry (VLBI)

Hoe kan een netwerk van een handjevol radiotelescopen doen alsof het een schotel vormt zo groot als de aardbol? Dat is makkelijker te begrijpen als je andersom redeneert: stel, je hebt een telescoopschotel van deze grootte, met een diameter van ongeveer 12.000 kilometer. Die schotel dient om alle binnenkomende radiostraling te bundelen naar een ontvanger ergens midden boven de schotel. Als er hier en daar wat gaten ter grootte van een voetbalveld in die schotel zitten, maakt dit nauwelijks wat uit voor de totale radiostraling die op de ontvanger binnenkomt.

Je kunt je ook voorstellen dat die schotel voor het grootste deel uit zulke gaten bestaat, met alleen smalle stroken noord-zuid en oost-west daartussen. Hoewel er dan veel minder radiostraling in de ontvanger terechtkomt, is de kwaliteit ervan nog nauwelijks minder geworden. Je kunt het radiosignaal in de ontvanger vergelijken met een stuk muziek: het volume neemt wel flink af, maar je kunt de tonen en melodie nog goed horen. De laatste stap is dat je op een paar stukjes na de hele schotel weghaalt. Als die paar stukjes (de echte telescoopschotels in het netwerk) optimaal verspreid zijn over de aarde, kun je nog steeds de ‘tonen en melodie’ in het radiosignaal vrij goed horen.

Elke vergelijking gaat ergens mank: om zo’n virtuele telescoop te simuleren, kun je de radiosignalen van twee losse telescopen niet simpelweg bij elkaar gooien, ze moeten met elkaar in ‘interferentie’ gebracht worden. Dat kan door alle radiosignalen digitaal op te slaan en ze in een speciale computer byte voor byte wiskundig met elkaar te combineren. Het gaat om enorme hoeveelheden data, petabytes (miljoenen gigabytes).

Bij kleinere VLBI-netwerken gebeurt dat soms al online, via glasvezelkabels met een extreem hoge capaciteit. Maar voor dit VLBI-netwerk kan dit nog niet; de data komen terecht op harde schijven die fysiek bij elkaar gebracht worden. De EHT-telescoop op Antarctica, waar het nu winter is, krijgt pas in de lente weer bezoek van een bevoorradingsvliegtuig. Dus pas in oktober kunnen die harde schijven met EHT-data mee terug naar de bewoonde wereld.

Reageer