Hebben we de eerste foto ooit van een zwart gat?

Het zijn spannende tijden voor astronomen, en dat zal ook nog wel een tijdje zo blijven. De afgelopen week hebben ze een baanbrekende reeks observaties afgerond in een poging om voor het eerst een foto te nemen van een zwart gat, namelijk van SagittariusA*, het superzware zwart gat in het centrum van onze Melkweg.

Dat wil zeggen, ze willen een foto nemen van de waarnemingshorizon rond het zwarte gat. Een zwart gat heeft namelijk zo'n sterke zwaartekracht dat zo goed als niets er aan kan ontsnappen, zelfs licht niet, en dus kan men een zwart gat zelf ook niet fotograferen. Wat men echter wel kan fotograferen is de zogenoemde waarnemingshorizon.  

Alles wat te dicht in de buurt van een zwart gat komt, licht of materie, wordt door het zwarte gat als het ware naar binnen gezogen en opgeslokt, en kan er onmogelijk nog aan ontsnappen. De grens die bepaalt dat men nog aan de enorme zwaartekracht van een zwart gat kan ontsnappen, of niet meer en opgeslokt wordt, noemt met de waarnemingshorizon. Men zou het kunnen zien als een "eenrichtingsmembraan", waardoor deeltjes en fotonen - lichtdeeltjes - naar binnen kunnen, maar niet meer terug naar buiten. 

Omdat iets dat de waarnemingshorizon van een zwart gat gepasseerd heeft, niet meer kan terugkeren, zal ook de waarnemingshorizon donker lijken, en dus is het niet eenvoudig om die te fotograferen. Om de waarnemingshorizon te fotograferen, is een enorme telescoop nodig, met een spiegel zo groot als de aarde.

Een dergelijke telescoop hebben we uiteraard niet, maar astronomen hebben een aantal radiotelescopen, verspreid over het aardoppervlak, aan elkaar gekoppeld en zo een enorme virtuele radiotelescoop gemaakt, de Event Horizon Telescope (EHT). Event horizon is de Engels term voor waarnemingshorizon. De resolutie van die EHT zou  hoog genoeg moeten zijn om de waarnemingshorizon van SagittariusA* te kunnen onderscheiden en astronomen hebben er vijf nachten lang het zwarte gat mee geobserveerd. 

Het team moest daarbij uitmaken welke nachten wereldwijd de beste weersomstandigheden kenden voor de observatie, wat niet makkelijk was. 

Naast SagittariusA* hebben de astronomen de EHT ook gericht op het superzware zwarte gat in het centrum van het reuzensterrenstelsel Messier 87, een monster van een zwart gat met een massa van 4 tot 6 miljard keer de massa van de zon. Dat is zo'n duizend keer zwaarder dan SagittariusA*.

Een voorstelling - geen foto uiteraard - van het gigantische zwarte gat in het centrum van Messier 87. Rond het zwarte gat, dat gedefinieerd wordt door zijn waarnemingshorizon, wervelen gassen in een zogenoemde accretieschijf. De heldere blauwe straal links boven is gas dat weg gekatapulteerd wordt door de enorme krachten die er heersen rond het zwarte gat.  

De observaties met de EHT zijn nu beëindigd, maar voor de resultaten zullen de astronomen nog veel geduld moeten hebben. De observaties hebben een gigantische massa data opgeleverd, en die moeten nu verwerkt worden. Dat zal in de zomer gebeuren, en in de herfst volgen dan de eerste analyses van de gegevens.

Aangezien er zo veel data zijn, zou het enorm lang duren om die elektronisch door te sturen, en het gaat veel sneller om ze met het vliegtuig over te brengen. En daar zit ook een verklaring voor de vertraging: een van de radiotelescopen die deel uitmaakte van de  EHT is de South Pole Telescope, en het is wachten op oktober, als het op de Zuidpool zomer is, vooraleer de vliegtuigen de data kunnen gaan ophalen en overbrengen naar de twee centra waar de gegevens verwerkt en geanalyseerd zullen worden. Een van die centra ligt in Duitsland, het andere in de Verenigde Staten.

Een voorstelling van de drukke activiteit rond SagittariusA*, waar een dichte ring van gas en stof met een diameter van 15 lichtjaar het zwarte gat omgeeft. Centraal midden in die ring ligt een holte van enkele lichtjaren met warm stof en gas met een lagere densiteit. Dat gas wordt verhit door de sterke ultraviolette straling van massieve sterren die dicht rond het zwarte gat cirkelen. (Illustratie: ESA/C.Carreau)

Als alles goed verlopen is, en de weersomstandigheden overal meegezeten hebben, bestaat de kans dat men een eerste glimp van de waarnemingshorizon kan opvangen, maar het is zelfs dan nog lang niet zeker dat er ook een mooie, goede foto uitkomt. Mogelijk zijn daarvoor nog meerdere observatiesessies met de EHT nodig.

Het verbinden van de verschillende telescopen voor de EHT was een technische en technologische uitdaging, en een schoolvoorbeeld van internationale wetenschappelijke samenwerking, en de onderzoekers van het project zijn hoe dan ook al extatisch over het feit dat dat gelukt is. 

En zelfs niet al te beste foto's zouden al zeer belangrijk zijn. Die  zouden dan het eerste directe bewijs zijn van het bestaan van zwarte gaten, waarvan het bestaan tot nu toe afgeleid is van allerlei indirecte indicaties.

En zelfs een slechte foto zou al voldoende zijn om een aantal theoretische voorspellingen te testen. "Zelfs als de eerste beelden nog flauwtjes en waardeloos zijn, zullen we voor de eerste keer een aantal basisvoorspellingen van de theorie van de zwaartekracht van Albert Einstein kunnen testen in de extreme omgeving van een zwart gat", zo zei radio-astronoom Heino Falcke van de Nederlandse Radboud Universiteit aan IFLScience.

Het bestaan van zwarte gaten is een van de meest fundamentele voorspellingen in de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein die de zwaartekracht beschrijft. Als ze dus inderdaad bestaan, is dat een bevestiging van de theorie, maar dan blijft nog de vraag of de relativiteitstheorie de zwarte gaten op een correcte manier beschrijft. Hebben ze inderdaad een waarnemingshorizon en zijn het inderdaad maar heel simpele objecten die alleen beschreven kunnen worden door hun massa en hun draaibeweging?

Bovendien is het idee dat kwantummechanica en de algemene relativiteit samengesmolten kunnen worden tot één grote, eengemaakte theorie, een basisconcept van de Algemene Relativiteitstheorie. "De plaats om dat te bestuderen, is aan de waarnemingshorizon van een zwart gat", zo zei professor Gopal Narayan van de University of Massachussetts Amherst.  

De antwoorden op die vragen hebben fundamentele gevolgen voor onze kijk op de zwaartekracht, en het is dus begrijpelijk dat de astronomen er reikhalzend naar uitkijken. Maar zoals gezegd: voorlopig zullen ze nog geduld moeten hebben.