Onze eerste foto van een zwart gat was een enorm moment voor de wetenschap. Zo leren we nog meer over deze vreemde, regelbrekende reuzen.
Nu ontwikkelt een groep astronomen van de Radboud Universiteit in Nijmegen, Nederland, samen met de European Space Agency en andere partners een plan om veel scherpere foto's van zwarte gaten te maken.
De eerste foto van de Event Horizon Telescope (EHT) van een zwart gat was een wetenschappelijke triomf en een prestatie van samenwerking, techniek en technologie. Werp ook de aangeboren nieuwsgierigheid van onze soort naar de natuur in. Het is een krachtige, effectieve mix.
Maar de foto was nogal wazig, nietwaar? Het is nog steeds een triomf en er zullen veel onderzoek en nieuwe artikelen uit voortkomen. Maar kan het nog beter zijn?
De groep wetenschappers heeft een plan om radiotelescopen in de ruimte te lanceren om duidelijkere beelden van zwarte gaten te krijgen. Ze hebben een paper gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy and Astrophysics waarin hun plannen worden beschreven. Hun einddoel? Om opnieuw Einsteins Theorie van Algemene Relativiteit te testen.
"Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt precies welke maat en vorm een zwart gat schaduw moet hebben."
Freek Roelofs, hoofdauteur Radboud Universiteit.
De EHT is een groep radiotelescopen over de hele wereld die met elkaar samenwerken. Ze werken volgens het principe van interferometrie. Samen werken de ‘scopes als een soort virtuele telescoop ter grootte van de aarde. Zo hebben we een telescoop gekregen die groot genoeg is om een zwart gat te zien. Maar de EHT wordt belemmerd door hetzelfde als andere terrestrische telescopen: de atmosfeer van de aarde.
De atmosfeer van de aarde kan voor astronomen veel problemen veroorzaken. Telescopen moeten zich op de een of andere manier aanpassen aan de atmosfeer om afbeeldingen van objecten op grote afstanden te verzamelen. Daarom worden telescopen gebouwd op speciale locaties: idealiter in droge omgevingen op grote hoogte.
De radiotelescopen van de EHT bevinden zich op grote hoogte over de hele wereld. Ze zijn in de Alpen, in de Sierra Nevada, in Atacama en op Hawaï. Maar ze worden nog steeds beperkt door de atmosfeer van de aarde. En die atmosfeer verhindert dat hoogfrequente radiogolven de ‘scopes’ bereiken.
'In de ruimte kun je waarnemen op hogere radiofrequenties, omdat de frequenties van de aarde worden uitgefilterd door de atmosfeer.'
Freek Roelofs, hoofdauteur Radboud Universiteit.
Er is nog een beperkende factor voor de effectiviteit van de EHT: de grootte van de aarde. Op aarde kunnen we alleen interferometrie gebruiken om scopes te koppelen die niet verder van elkaar verwijderd zijn dan de "breedte" van de aarde. Dus elke virtuele telescoop wordt beperkt door de grootte van onze planeet zelf.
De auteurs van het artikel hebben een oplossing voor zowel het atmosfeerprobleem als het probleem op aarde. Zet radiotelescopen op hun plaats.
Ze noemen hun voorgestelde project de Event Horizon Imager (EHI), en ze zeggen dat het beelden van zwarte gaten kan produceren die vijf keer scherper zijn dan de EHT. Het idee is om twee of drie satellieten in een baan om de aarde te brengen die zouden dienen als radio-observatoria. Daarbuiten zouden ze vrij zijn van beide beperkingen van de EHT.
'Het gebruik van satellieten in plaats van permanente radiotelescopen op aarde heeft veel voordelen, zoals bij de Event Horizon Telescope (EHT)', zegt Freek Roelofs, promovendus aan de Radboud Universiteit en hoofdauteur van het artikel. “In de ruimte kun je waarnemen op hogere radiofrequenties, omdat de frequenties van de aarde worden uitgefilterd door de atmosfeer. De afstanden tussen de telescopen in de ruimte zijn ook groter. Zo kunnen we een grote stap voorwaarts maken. We zouden meer dan vijf keer beelden kunnen maken met een resolutie die mogelijk is met de EHT. ”
Het team heeft gesimuleerde afbeeldingen gemaakt van zwarte gaten die vertegenwoordigen wat de EHI zou kunnen zien.
Scherpere afbeeldingen van een zwart gat zullen leiden tot betere informatie die kan worden gebruikt om Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie gedetailleerder te testen. "Het feit dat de satellieten over de aarde bewegen, levert aanzienlijke voordelen op", zegt professor radioastronomie Heino Falcke. “Met hen kun je bijna perfecte foto's maken om de echte details van zwarte gaten te zien. Als er kleine afwijkingen van de theorie van Einstein optreden, zouden we ze moeten kunnen zien. "
Verdere tests van Einstein's Theory of General Relativity zijn een van de hoofddoelen van de EHI. In een e-mailuitwisseling met Space Magazine legde hoofdauteur Freek Roelofs het als volgt uit: 'Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie voorspelt precies welke grootte en vorm een zwart gat schaduw zou moeten hebben. Alternatieve zwaartekrachttheorieën voorspellen verschillende maten en vormen, maar het verschil met de voorspelling van algemene relativiteit is over het algemeen kleiner dan 10%. Om onderscheid te kunnen maken tussen algemene relativiteitstheorie en andere zwaartekrachttheorieën, hebben we dus beelden met een hoge resolutie nodig die we alleen kunnen verkrijgen uit op de ruimte gebaseerde waarnemingen. ”
Ja, er zijn andere theorieën over zwaartekracht. Hoewel elke keer dat wetenschappers de TGR van Einstein kunnen testen, het bewijs de theorie ondersteunt, zijn er nog steeds enkele knagende vragen. Er zijn meerdere alternatieve theorieën over zwaartekracht in de wetenschappelijke wereld, en ze houden vooral verband met onze onbeantwoorde vragen over zwarte gaten, donkere materie en donkere energie.
Er zijn tientallen alternatieve zwaartekrachttheorieën, en de meeste hebben het niet goed gedaan tegen het bewijs. Maar ze bestaan, want als een van deze experimenten, ontworpen om Einsteins TGR te testen, bewijst dat het niet waar is, moeten we een andere theorie hebben om mee te werken.
“Met de EHT worden harde schijven met data per vliegtuig naar het verwerkingscentrum vervoerd. Dat kan natuurlijk niet in de ruimte. "
Volodymyr Kudriashov, onderzoeker bij Radboud Radio Lab en ESA / ESTEC.
Er zijn veel uitdagingen om uit te werken als de EHI ooit zal plaatsvinden. Met de EHT slaat elk observatorium zijn gegevens op een harde schijf op die wordt afgeleverd bij een gegevensverwerkingscentrum. Alle gegevens van elke scope worden gecombineerd met behulp van een atoomklok voor extreme precisie. Maar hoe werkt dat in de ruimte?
“Met de EHT worden harde schijven met data per vliegtuig naar het verwerkingscentrum vervoerd. Dat kan natuurlijk niet in de ruimte '', zegt Volodymyr Kudriashov, een onderzoeker bij het Radboud Radio Lab die ook bij ESA / ESTEC werkt. Volgens het artikel zou een laserverbinding kunnen worden gebruikt om de gegevens voor verwerking naar de aarde te sturen. Daar is al een precedent voor, zeggen ze, en geplande toekomstige ruimtemissies zullen de lasercommunicatie nog verder verfijnen.
Een andere uitdaging is de precieze positie en snelheid van de satellieten die nodig zijn om scherpe beelden te produceren. "Het concept vereist dat je de positie en snelheid van de satellieten heel nauwkeurig moet kunnen bepalen", zei Kudriashov. "Maar we geloven echt dat het project haalbaar is."
De EHI zou samenwerken met de EHT als een soort hybride interferometer, waarbij de gegevens van alle terrestrische observatoria worden gecombineerd met de gegevens van de orbitale observatoria. Het beste van beide werelden.
"Het gebruik van een hybride als deze zou de mogelijkheid kunnen bieden om bewegende beelden van een zwart gat te creëren, en je zou zelfs meer en ook zwakkere bronnen kunnen waarnemen", zei Falcke.
Bronnen:
- Persbericht: Telescopen in de ruimte voor nog scherpere beelden van zwarte gaten
- Research Paper: Simulaties van het weergeven van de horizon van Boogschutter A * vanuit de ruimte
- Event Horizon Telescope
