In april 2019 schreef de Event Horizon Telescope-samenwerkingsgeschiedenis geschiedenis toen het de eerste foto van een zwart gat ooit maakte. Deze prestatie was tientallen jaren in de maak en veroorzaakte een internationaal mediacircus. Het beeld was het resultaat van een techniek die bekend staat als interferometrie, waarbij sterrenwachten over de hele wereld het licht van hun telescopen combineerden om een samengesteld beeld te creëren.
Deze afbeelding liet zien wat astrofysici lange tijd hebben voorspeld, dat extreme zwaartekrachtbuiging ervoor zorgt dat fotonen rond de gebeurtenishorizon vallen, wat bijdraagt aan de heldere ringen eromheen. Vorige week, op 18 maart, kondigde een team van onderzoekers van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) nieuw onderzoek aan dat laat zien hoe beelden van zwarte gaten een ingewikkelde substructuur in hen zouden kunnen onthullen.
De studie die hun bevindingen beschrijft, getiteld 'Universele interferometrische handtekeningen van de fotonring van een zwart gat', verscheen onlangs in het tijdschrift Wetenschappelijke vooruitgang. Het team werd geleid door Michael Johnson, een astrofysicus bij de CfA, en leidde leden van Harvard's Black Hole Initiative (BHI), Los Alamos National Laboratory, Princeton Center for Theoretical Science en meerdere universiteiten.
Zoals Johnson uitlegde in een recent persbericht van CfA:
'Het beeld van een zwart gat bevat eigenlijk een geneste reeks ringen. Elke opeenvolgende ring heeft ongeveer dezelfde diameter, maar wordt steeds scherper omdat het licht meerdere keren in een baan rond het zwarte gat draait voordat het de waarnemer bereikt. Met het huidige EHT-beeld hebben we slechts een glimp opgevangen van de volledige complexiteit die in het beeld van een zwart gat zou moeten voorkomen. "
Zoals de wet van algemene relativiteit ons leert, veranderen gravitatievelden de kromming van de ruimtetijd. In het geval van een zwart gat is het effect extreem en zorgt ervoor dat er zelfs licht (fotonen) omheen vallen. Deze fotonen werpen een schaduw op de heldere ring van invallend gas en stof die door de zwaartekracht van het zwarte gat wordt versneld tot relativistische snelheden.
Rond dit gearceerde gebied bevindt zich een "fotonenring" die wordt geproduceerd uit fotonen die zijn geconcentreerd door de sterke zwaartekracht nabij het zwarte gat. Deze ring kan astronomen veel vertellen over een zwart gat, aangezien de grootte en vorm de massa en rotatie (ook bekend als "spin") van het zwarte gat onthullen. Door de EHT-beelden hebben onderzoekers van zwarte gaten nu een hulpmiddel om zwarte gaten te bestuderen.
Sinds de jaren vijftig hebben astronomen er veel over geleerd door het effect dat ze hebben op hun omgeving te bestuderen. Met andere woorden, de studie van zwarte gaten was indirect en theoretisch van aard. Maar met de mogelijkheid om beelden van deze hemellichamen te maken, kunnen astronomen ze eindelijk rechtstreeks bestuderen en echte gegevens verzamelen.
George Wong, afgestudeerd in natuurkunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, was verantwoordelijk voor het ontwikkelen van software voor het produceren van gesimuleerde beelden van zwarte gaten. Deze software zorgde ervoor dat afbeeldingen met de hoogste resolutie tot nu toe konden worden berekend en dat hun team ze kon ontleden in de voorspelde reeks subafbeeldingen. Zoals Wong aangaf:
“Door experts uit verschillende vakgebieden bij elkaar te brengen, konden we een theoretisch begrip van de fotonring echt koppelen aan wat mogelijk is met observatie. Wat begon als klassieke potlood-en-papierberekeningen, bracht ons ertoe onze simulaties naar nieuwe limieten te duwen. ”
Wat vooral verrassend was voor de onderzoekers, was hoe de onderbouw die door het zwart gat-beeld naar voren komt, nieuwe onderzoeksmogelijkheden creëert. Hoewel de subringen die ze onthulden normaal gesproken onzichtbaar zijn op afbeeldingen, produceren ze zeer duidelijke signalen wanneer ze worden waargenomen door reeksen telescopen met behulp van interferometrie.
Dit biedt astronomen een relatief gemakkelijke manier om het werk dat tot dusver door de EHT-samenwerking is verricht, uit te breiden. "Hoewel het vastleggen van beelden met een zwart gat normaal gesproken veel gedistribueerde telescopen vereist, zijn de subringen perfect om te bestuderen met slechts twee telescopen die ver uit elkaar staan", aldus Johnson. 'Het zou voldoende zijn om één ruimtetelescoop aan de EHT toe te voegen.'
De velden astronomie en astrofysica hebben de afgelopen jaren meerdere revoluties ondergaan. Tussen de allereerste waarnemingen van interstellaire objecten, de bevestiging van zwaartekrachtsgolven en de eerste directe waarnemingen van een zwart gat. Deze primeurs hebben onderzoek mogelijk gemaakt dat belooft een aantal blijvende mysteries over de kosmos te ontsluiten.
Het onderzoek van het team werd mede mogelijk gemaakt door subsidies van NASA, de National Science Foundation (NSF), het Department of Energy (DoE) en meerdere wetenschappelijke en onderzoeksstichtingen.
