15 april 2024

Wetenschappers bestuderen zwart gat in ongeëvenaard detail

Deze afbeelding is gemaakt aan de hand van computermodellen. Deze laten zien dat de extreme zwaartekracht nabij de gebeurtenishorizon ervoor zorgt dat een deel van de straalstroom wordt omgebogen in een ring van licht. Dit wordt wel de “schaduw van het zwarte gat” genoemd. Credit: Avery E. Broderick (Perimeter Institute & University of Waterloo

Een punt waarop geen terugkeer mogelijk is: in de sterrenkunde heet zoiets een zwart gat – een gebied in de ruimte waar de zwaartekracht zo sterk is dat niets, zelfs niet het licht, eraan kan ontsnappen. Sommige zwart gaten hebben een massa van miljarden keren die van de zon: dit soort supermassieve zwarten gaten bevinden zich in het hart van vele sterrenstelsels. Dergelijke supermassieve zwarte gaten zijn zo krachtig, dat hun invloed door het hele stelsel voelbaar kan zijn.Nu heeft een internationaal team van astronomen voor het eerst de diameter van een supermassief zwart gat gemeten, of eigenlijk van de korste afstand tot het zwarte gat waarop materie kan bestaan zonder onherroepelijk in het zwarte gat te worden gezogen.Om dit voor elkaar te krijgen hebben wetenschappers een groot aantal radiotelescopen aan elkaar gekoppeld, waardoor een samengestelde telescoop is ontstaan die de Event Horizon Telescope wordt genoemd en die 2000 keer meer details kan zien dan de Hubble-ruimtetelescoop. De radioschotels werden vervolgens gericht op M87, een gigantisch sterrenstelsels op een afstand van 50 miljoen lichtjaar. M87 huisvest een zwart gat met een massa van 6 miljard zonnen – met de EHT heeft men materie nabij de rand van het zwarte gat waargenomen, een gebied dat bekend staat als de gebeurtenishorizon (Event Horizon). Zodra objecten voorbij deze horizon komen, zijn ze voor altijd verloren. Het vormt in feite een uitgang in het universum: zodra je er doorheen stapt, kom je nooit meer terug.Supermassieve zwarte gaten vormen de meest extreme objecten die voorspeld zijn door de zwaartekrachtwetten van Einstein. Feitelijk zijn het plaatsen waarin de zwaartekracht helemaal krankzinnig geworden is, waardoor een enorme massa wordt samengeperst in een belachelijk kleine ruimte. Aan de rand van het zwarte gat is de zwaartekracht zo sterk dat alles onherroepelijk naar binnen getrokken wordt.

Echter: niet al het materiaal kan in één keer de gebeurtenishorizon doorkruisen. Het resultaat is een kosmische file, waarin materie in de rij staat voor “de beul” – gas en stof vormt dan een platte pannenkoek rondom het zwarte gat: een zogenaamde accretieschijf. Het materiaal in deze schijf draait bijna met de lichtsnelheid rondom het zwarte gat, waardoor het zwarte gat een constante stroom van superverhit materiaal te verstouwen krijgt.De wetten van Einstein voorspellen dat na verloop van tijd het zwarte gat in dezelfde richting gaat draaien als het omringende materiaal. Dit is noodzakelijk voor het ontstaan van de gigantische straalstromen die vaak worden waargenomen bij zwarte gaten. Deze zijn het resultaat van magnetische velden die zijn ingebed in de spiraliserende stroom van invallend materiaal. Deze magnetische velden creëren dan een jet of straalstroom, waardoor een deel van het materiaal wordt weggeschoten van het zwarte gat. Dit materiaal schiet dan het omringende sterrenstelsel in, tot een afstand van honderdduizenden lichtjaren. Het zijn deze straalstromen die een grote invloed uitoefenen op het sterrenstelsel, ondermeer op de snelheid waarmee sterren geboren worden.

Credit: NASA and Ann Field

Het precieze pad van zo’n straalstroom kan wetenschappers helpen de dynamiek van zwarte gaten te begrijpen. Een dergelijk extreme omgeving vormt het ideale laboratorium om de wetten van Einstein te bevestigen. Men heeft dit al gedaan in omgevingen met een lage zwaartekracht, zoals de aarde en het zonnestelsel. De wetten zijn echter niet voldoende getest op de enige plaats in het universum waar deze hun geldigheid verliezen: precies aan de rand van het zwarte gat.Volgens Einstein bepalen de massa en rotatie van het zwarte gat de afstand waarop materiaal rondom een zwart gat kan draaien zonder instabiel te worden en voorbij de gebeurtenishorizon te vallen. Aangezien de straalstroom van M87 precies afkomstig is vanaf deze “binnenste stabiele omloopbaan”, kan het bestuderen van deze straalstroom leiden tot precieze metingen van de rotatie van het zwarte gat. Dat is precies wat de bedoeling van het hele project is geweest: de verhouding tussen de massa en de rotatie van het zwarte gat bepalen, waardoor de voorspellingen van Einstein getest kunnen worden.

Het reusachtige bolvormige sterrenstelsel M87, inclusief een enorme straalstroom die afkomstig is van het centrale zwarte gat. Credit: NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

De wetenschappers hebben hiertoe gebruik gemaakt van een techniek die Very Long Baseline Interferometry genoemd wordt, waardoor gegevens van meerdere radioschotels gecombineerd worden. Deze schotels hoeven helemaal niet bij elkaar in de buurt te liggen: een onderlinge afstand van duizenden kilometers is niet ongebruikelijk. Door deze schotels te koppelen, ontstaat een “virtuele telescoop” met een oplossend vermogen die even groot is als dat van één grote enorme telescoop. Deze techniek stelt wetenschappers in staat om extreem precieze details te zien in vergelegen sterrenstelsels.Met behulp van deze techniek hebben de sterrenkundigen ontdekt dat de “binnenste stabiele omloopbaan” zich bevindt op een afstand van 5,5 keer die van de gebeurtenishorizon. Volgens de natuurwetten suggereert deze afstand dat de accretieschijf in dezelfde richting draait als het zwarte gat. Dit vormt een directe bevestiging van de theorie die verklaart hoe een zwart gat dergelijk krachtige straalstromen kan vormen. Indirect vormt dit ook een bevestiging van de wetten van Einstein. Het team van wetenschappers is van plan om de “virtuele telescoop” uit te breiden met schotels in Chili, Europa, Mexico, Groenland en Antarctica, waardoor toekomstige waarnemingen van zwarte gaten nog preciezer kunnen plaatsvinden. Hierdoor kunnen de wetten van Einstein nog verder getest worden.

Op deze afbeelding is de verhouding zichtbaar tussen de gebeurtenishorizon, de binnenste stabiele omloopbaan en de straalstroom (de witte gloed). Credit: Perimeter Institute for Theoretical Physics

Bron: Phys.org.

Share

Speak Your Mind

*