Een internationaal netwerk van radiotelescopen heeft het allereerste close-upbeeld van de schaduw van een zwart gat gemaakt, dat wetenschappers vanmorgen (10 april) hebben onthuld. De samenwerking, de Event Horizon-telescoop genaamd, bevestigde tientallen jaren van voorspellingen over hoe licht zich zou gedragen rond deze donkere objecten, en zette de toon voor een nieuw tijdperk van de astronomie van het zwarte gat.
"Van een schaal van nul tot verbazingwekkend, het was geweldig", zegt Erin Bonning, astrofysicus en onderzoeker van zwarte gaten aan de Emory University, die niet betrokken was bij de beeldvorming.
'Dat gezegd hebbende, het was wat ik had verwacht', vertelde ze WordsSideKick.com.
De aankondiging, die ongeveer anderhalve week van tevoren werd geplaagd, slaagde erin om ongelooflijk opwindend te zijn en bijna volledig verstoken van verrassende details of nieuwe fysica. De natuurkunde ging niet kapot. Er werden geen onverwachte kenmerken van zwarte gaten onthuld. Het beeld zelf was bijna een perfecte match voor illustraties van zwarte gaten die we gewend zijn te zien in de wetenschap en de popcultuur. Het grote verschil is dat het een stuk vager is.
Er waren echter verschillende belangrijke vragen met betrekking tot zwarte gaten die onopgelost bleven, zei Bonning.
Hoe produceren zwarte gaten hun enorme stralen hete, snelle materie?
Alle superzware zwarte gaten hebben het vermogen om nabijgelegen materie op te kauwen, het grootste deel ervan voorbij hun horizon te absorberen en de rest met bijna lichte snelheid de ruimte in te spuwen in brandende torens die astrofysici 'relativistische jets' noemen.
En het zwarte gat in het centrum van Maagd A (ook wel Messier 87 genoemd) is berucht om zijn indrukwekkende stralen, spuiten van materie en straling door de hele ruimte. De relativistische stralen zijn zo groot dat ze de omringende melkweg volledig kunnen ontvluchten.
En natuurkundigen kennen de brede lijnen van hoe dit gebeurt: het materiaal versnelt tot extreme snelheden als het in de zwaartekracht van het zwarte gat valt, en dan ontsnapt een deel ervan met behoud van die traagheid. Maar wetenschappers zijn het niet eens over de details van hoe dit gebeurt. Deze afbeelding en de bijbehorende papieren bieden nog geen details.
Dat uitzoeken, zei Bonning, zal een kwestie zijn van het koppelen van Event Horizons Telescope-waarnemingen - die een vrij kleine hoeveelheid ruimte beslaan - met de veel grotere beelden van relativistische jets.
Hoewel natuurkundigen nog geen antwoorden hebben, zei ze, is de kans groot dat ze snel komen - vooral als de samenwerking beelden oplevert van het tweede doelwit: het superzware zwarte gat Boogschutter A * in het centrum van ons eigen sterrenstelsel, dat produceert geen jets zoals Virgo A's. Het vergelijken van de twee afbeeldingen, zei ze, zou wat duidelijkheid kunnen bieden.
Hoe passen algemene relativiteit en kwantummechanica bij elkaar?
Telkens wanneer natuurkundigen bij elkaar komen om te praten over een werkelijk opwindende nieuwe ontdekking, kun je verwachten dat iemand je hoort suggereren dat het zou kunnen helpen om "kwantumzwaartekracht" te verklaren.
Dat komt omdat kwantumzwaartekracht de grote onbekende in de natuurkunde is. Gedurende ongeveer een eeuw hebben natuurkundigen gewerkt met twee verschillende reeksen regels: algemene relativiteitstheorie, die zeer grote zaken zoals zwaartekracht omvat, en kwantummechanica, die zeer kleine zaken omvat. Het probleem is dat deze twee rulebooks elkaar rechtstreeks tegenspreken. Kwantummechanica kan de zwaartekracht niet verklaren en relativiteit kan het kwantumgedrag niet verklaren.
Op een dag hopen natuurkundigen de twee met elkaar te verbinden in een grote verenigde theorie, die waarschijnlijk een soort kwantumzwaartekracht met zich meebrengt.
En voor de aankondiging van vandaag was er speculatie dat het een doorbraak op dit gebied zou kunnen betekenen. (Als de voorspellingen van algemene relativiteit niet in de afbeelding waren weergegeven, zou dat de bal naar voren hebben bewogen.) Tijdens een nieuwsbriefing van de National Science Foundation, Avery Broderick, een fysicus aan de Universiteit van Waterloo in Canada, en een medewerker over het project, suggereerde dat dit soort antwoorden mogelijk zouden komen.
Maar Bonning stond sceptisch tegenover die bewering. Dit beeld was totaal niet verrassend vanuit een algemeen relativiteitsperspectief, dus het bood geen nieuwe fysica die de kloof tussen de twee velden zou kunnen dichten, zei Bonning.
Toch is het niet gek dat mensen hopen op antwoorden op dit soort observaties, zei ze, omdat de rand van de schaduw van een zwart gat relativistische krachten in kleine ruimtes van kwantumgrootte brengt.
'We zouden de kwantumzwaartekracht heel, heel dicht bij de horizon van de gebeurtenis of heel, heel vroeg in het vroege heelal verwachten', zei ze.
Maar met de nog steeds wazige resolutie van Event Horizons Telescope, zei ze, zullen we dit soort effecten waarschijnlijk niet vinden, zelfs niet als er geplande upgrades binnenkomen.
Waren de theorieën van Stephen Hawking even correct als die van Einstein?
De grootste bijdrage van de natuurkundige Stephen Hawking aan de natuurkunde was het idee van "Hawking-straling" - dat zwarte gaten niet echt zwart zijn, maar in de loop van de tijd kleine hoeveelheden straling uitstralen. Het resultaat was enorm belangrijk, want het toonde aan dat zodra een zwart gat stopt met groeien, het heel langzaam zal krimpen van het energieverlies.
Maar de Event Horizons-telescoop bevestigde of ontkende deze theorie niet, zei Bonning, niet dat iemand het verwachtte.
Grote zwarte gaten zoals die in Maagd A, zei ze, zenden slechts minimale hoeveelheden Hawking-straling uit in vergelijking met hun totale grootte. Hoewel onze meest geavanceerde instrumenten nu de felle lichten van hun evenementhorizon kunnen detecteren, is de kans klein dat ze ooit de ultraduistere gloed van een superzwaar zwart gatoppervlak zullen plagen.
Die resultaten, zei ze, zullen waarschijnlijk afkomstig zijn van de kleinste zwarte gaten - theoretische, kortstondige objecten die zo klein zijn dat je hun hele gebeurtenishorizon in je hand zou kunnen omsluiten. Met de mogelijkheid voor observaties van dichtbij en veel meer straling beschikbaar in vergelijking met hun totale grootte, kunnen mensen er uiteindelijk achter komen hoe ze er een kunnen produceren of vinden en de straling kunnen detecteren.
Dus wat hebben we eigenlijk geleerd van deze afbeelding?
Eerst ontdekten natuurkundigen dat Einstein opnieuw gelijk had. De rand van de schaduw is, voor zover de Event Horizons-telescoop kan zien, een perfecte cirkel, net zoals natuurkundigen in de 20e eeuw met Einsteins vergelijkingen van algemene relativiteitstheorie voorspelden.
'Ik denk niet dat iemand verrast zou moeten zijn als weer een nieuwe test van algemene relativiteitstheorie slaagt', zei Bonning. 'Als ze op het podium waren gelopen en hadden gezegd dat de algemene relativiteit was verbroken, was ik van mijn stoel gevallen.'
Het resultaat met meer directe, praktische implicaties, zei ze, was dat het beeld wetenschappers in staat stelde om nauwkeurig de massa van dit superzware zwarte gat te meten, dat 55 miljoen lichtjaar verwijderd is van het hart van het Maagd A-sterrenstelsel. Het is 6,5 miljard keer zo zwaar als onze zon.
Dat is een groot probleem, zei Bonning, omdat het de manier kan veranderen waarop natuurkundigen de superzware zwarte gaten wegen in de harten van andere, verder weg gelegen of kleinere sterrenstelsels.
Op dit moment hebben natuurkundigen een vrij nauwkeurige meting van de massa van het superzware zwarte gat in het hart van de Melkweg, zei Bonning, omdat ze kunnen zien hoe de zwaartekracht individuele sterren in de buurt beweegt.
Maar in andere sterrenstelsels kunnen onze telescopen de bewegingen van individuele sterren niet zien, zei ze. Natuurkundigen zitten dus vast met ruwere metingen: hoe de massa van het zwarte gat licht beïnvloedt dat afkomstig is van verschillende lagen van sterren in de melkweg, of hoe de massa licht beïnvloedt dat afkomstig is van verschillende lagen vrij zwevend gas in de melkweg.
Maar die berekeningen zijn niet perfect, zei ze.
'Je moet een heel complex systeem modelleren', zei ze.
En de twee methoden leveren uiteindelijk enigszins verschillende resultaten op in elk sterrenstelsel dat natuurkundigen waarnemen. Maar in ieder geval voor het zwarte gat in Maagd A weten we nu dat één methode correct is.
"Onze bepaling van 6,5 miljard zonsmassa's komt terecht bovenop de zwaardere massa bepaling van", zegt Sera Markoff, een astrofysicus van de Universiteit van Amsterdam en een medewerker van het project in de nieuwsbriefing.
Dat betekent niet dat natuurkundigen zich in het algemeen zullen bezighouden met die benadering voor het meten van massa's van zwarte gaten, zei Bonning. Maar het biedt wel een belangrijk datapunt voor het verfijnen van toekomstige berekeningen.
