19 mei 2022

Zonder de simulatiebibliotheek was de EHT foto van Sgr A* er nooit geweest

De eerste opname van ons zwarte gat. Credit: EHT Collaboration

Donderdag om een paar minuten over drie ’s middags kreeg de hele wereld voor het eerst een foto te zien van Sagittarius A*, het zwarte gat van ruim vier miljoen zonsmassa in het centrum van het Melkwegstelsel. De foto was gemaakt door de Event Horizon Telescope, acht grote radiotelescopen verspreid over de hele wereld, die door de techniek der interferometrie samenwerken als één gigantische radiotelescoop. Meer dan 300 wetenschappers deden mee om met de EHT het zwarte gat Sgr A* te fotograferen en het resultaat daarvan zagen we donderdag, na de foto van M87* uit 2019 de tweede foto ooit gemaakt van een zwart gat. Maar laten we niet vergeten dat de foto er nooit zou zijn gekomen als er ook niet een bibliotheek was aangelegd van simulaties van zwarte gaten. Een foto van een zwart gat maken is niet een kwestie van een lange klik en dan kijken wat er op het fotopapier staat.

De South Pole Telescope (SPT) op de Zuidpool. Credit: Junhan Kim/University of Arizona

De radiotelescopen van de EHT (waarvan je er hierboven eentje ziet, de SPT) detecteren fotonen (lichtdeeltjes) in het radiogolfgebied van het spectrum, maar als die ‘gevangen’ zijn moet het worden geanalyseerd en geïnterpreteerd. En daarvoor hanteert men theoretische modellen, die de zwaartekracht en de magnetische kracht rondom de waarnemingshorizon van zwarte gaten beschrijven. Voor dit soort modellen hanteert men zogeheten ‘general relativistic magnetohydrodynamic’ (GRMHD) vergelijkingen en die laten nauwkeurig zien hoe materie (in de vorm van gloeiend heet plasma) beweegt in zo’n extreme omgeving, waar de ruimte sterk gekromd is. Om met de GRMHD een bibliotheek van simulaties te maken maakte de EHT samenwerking gebruik van de Frontera supercomputer van het Texas Advanced Computing Center – zelfs die super-PC had 80 miljoen CPU uren nodig om alles uit te rekenen, zeg 2000 laptops die full power een jaar lang rekenen. In twee maanden klaarden ze de klus met de Frontera supercomputer en hadden ze een complete bibliotheek met alle mogelijke simulaties van gasstromen rondom een superzwaar zwart gat. Maar daarmee waren ze er nog niet, toen moesten ze die simulaties en de echte EHT-waarnemingen (gedaan bij een golflengte van 1,3 mm) met elkaar vergelijken en de GMRHD-gegevens vertalen in letterlijke afbeeldingen, iets dat ze ‘general relativistic ray tracing‘ noemen. Dat leverde vele gesimuleerde filmpjes en foto’s op, zoals enkelen daarvan te zien zijn in de tweet hieronder.

En toen waren ze er nog steeds niet. Want alle simulaties van een zwart gat moesten maar liefst 11 zware en verschillende testen doorstaan om te kijken of ze matchten met de EHT-gegevens van zwarte gat Sgr A*. Sommige simulaties waren zo goed dat ze 10 testen wisten te doorstaan, maar er was er niet eentje die bestand was tegen alle elf testen. De zwaarste test van allemaal bleek die van de veranderlijkheid te zijn, de test die meet hoeveel het zwarte gat varieert in helderheid van moment tot moment, hét grote probleem bij Sgr A* (in tegenstelling tot M87*, dat door z’n super-omvang veel minder varieert in helderheid). De simulaties bleken allemaal iets meer variatie te vertonen dan Sgr A* in werkelijkheid liet zien.

De eerste twee foto’s van zwarte gaten naast elkaar. Credit: EHT Collaboration

Wie de foto’s van M87* en Sgr A* bekijkt (zoals hierboven te zien) zal zeggen dat ze wel heel erg veel op elkaar lijken. En dat mag op het eerste gezicht vreemd lijken, want M87* is 6 miljard zonmassa zwaar, Sgr A* 4 miljoen zonsmassa, zeg ruwweg een verschil van 1000. De gelijkenis maakt één ding duidelijk: zwarte gaten worden geheel geregeerd door maar één kracht, de zwaartekracht [1]En dat magnetisme dan hoor ik je zeggen? Nou die is bij Sgr A* zeer zwak, vergelijkbaar met de sterkte van een magneet die je op de koelkastdeur hebt zitten. Het is genoeg om het gas daar in beweging … Lees verder. En die werkt op de schaal van een stellaire zwart van van 10 zonsmassa net zoals op de schaal van Sgr A* of zelfs van M87*, dus op alle schalen zullen zwarte gaten er zó uitzien, als een donut met een heldere ring. Hier het vakartikel over de simulaties en de productie van de uiteindelijke foto van Sgr A*, verschenen in the Astrophysical Journal Letters. Bron: Phys.org.

References

References
1 En dat magnetisme dan hoor ik je zeggen? Nou die is bij Sgr A* zeer zwak, vergelijkbaar met de sterkte van een magneet die je op de koelkastdeur hebt zitten. Het is genoeg om het gas daar in beweging te zetten.

Comments

  1. Bij M87 kijken we vanaf aarde schuin op de pool (te zien aan de jet) en heb je bij observatie nauwelijks last van de accretie schijf. De aarde ligt in het equatoriale vlak van Sgr A* en – neem ik aan- dus in het zelfde vlak van die accretie disk. Je zou dan toch minstens wat vervorming moeten zien als je er zijdelings tegen aan kijkt. Heeft men met wat selectie niet een beetje naar het bekende M87 plaatje toegewerkt met zoveel beschikbare opnames?

    • Elk zwart gat ziet er hetzelfde uit. Alleen massa, lading en spin verschillen. Door het licht van die nabije materie lijkt het gewoon een beetje anders. Maar je zult onder elke hoek een ring van licht zien. Dat is het lenseffect. Om vergelijkbare redenen zie je nooit een regenboog van opzij.

      • Ik heb een zeer goede uitleg van mijn punt gevonden @June
        https://www.youtube.com/watch?v=zUyH3XhpLTo

        • Ik volg je niet helemaal. Welk punt? Man in video legt toch uit dat als we de accretieschijf onder een scherpe hoek zien, dat nog steeds een ring produceert? Hij begint zelfs al met een afbeelding van een ring zonder de daadwerkelijke foto van Sgr A* gezien te hebben.

          En het “naar bekende foto M87 toewerken” komt (natuurlijk) al helemaal niet aan bod. (off topic maar het valt me op dat je wel vaker de hele groep astrofysici met iets als argwaan of zelfs laatdunkendheid beziet. Ik ben wel benieuwd waarom.)

          • Tjonge @June, vind ik een mooi filmpje hoe je van alle kanten een identiek beeld van een BH krijgt conform je opmerking en dan ga je in de aanval. En ja, ik zag heel veel images voorbij komen die “gemiddeld” zijn tot het uiteindelijke getoonde plaatje, maar feitelijk hadden er ook wel 10 verschillende plaatjes getoond kunnen worden vanwege de volatiliteit van Srg A*. Het doet niets af aan de uiteindelijke resultaat maar ik had toch liever die dynamiek willen zien i.p.v. “the directors choice”, want ga me niet vertellen dat alle opnames met gelijk gewicht gemiddeld zijn.
            B.t.w. je verwart argwaan met gezonde kritiek en ja, ik ben inderdaad zeer laatdunkend als SF schrijver Loeb c.s. weer eens in het nieuws komt met een nieuw alien voertuig 😀 , of als het gaat om Higgs Bosons… “many theories of physics beyond the Standard Model require an extended Higgs sector from which many additional Higgs bosons arise. For example, many popular methods to solve open questions such as “What is dark matter?” or “How does gravity fit into the Standard Model?” predict at least FIVE Higgs bosons.” bron: https://cms.cern/news/how-many-higgs-bosons-are-there

  2. @Nico
    In de aanval was niet mijn bedoeling. Ik vind dat het filmpje goede uitleg geeft, veel beter dan ikzelf, maar snapte niet waarom je daarbij naar jouw punt verwees.

    Anyway, dank voor de toelichting. Hopelijk begrijp je dat jouw laatdunkendheid soms ook als een beetje scherp overkomt. Niet als je met uitleg naar een individu verwijst, maar wel bij het bekritiseren van hele groepen zoals het hele EHT team 😉

Speak Your Mind

*

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.