Site pictogram Astroblogs

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

Arie Nouwen

De foto die de Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration heeft gemaakt van het superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel, dat Sagittarius A* of kortweg Sgr A* wordt genoemd, is een combinatie van de EHT-waarnemingen. Het eindresultaat is verkregen door het gemiddelde te nemen van duizenden opnamen die met verschillende rekenmethoden zijn gemaakt, maar die allemaal nauwkeurig passen bij de EHT-gegevens. Het gemiddelde beeld behoudt de kenmerken die vaker voorkomen in de verschillende opnamen, en onderdrukt kenmerken die niet zo vaak voorkomen. De beelden kunnen op basis van gelijkaardige kenmerken ook worden ingedeeld in vier groepen. De onderste rij geeft een gemiddeld, representatief beeld voor elk van deze groepen. Drie ervan vertonen een ringstructuur, maar met verschillende helderheidsverdelingen langs de ring. De vierde groep omvat beelden die ook aan de gegevens voldoen, maar die niet ringvormig lijken. De staafdiagrammen tonen het relatieve aantal beelden dat tot elke groep behoort. De drie eerste groepen omvatten elk duizenden beelden, terwijl de vierde en kleinste groep slechts enkele honderden beelden bevat. De hoogte van de staafjes geeft het relatieve ‘gewicht’ oftewel de bijdrage van elke groep aan het gemiddelde beeld bovenaan aan. Het EHT-netwerk van radiosterrenwachten dat deze afbeelding mogelijk heeft gemaakt, omvat naast andere faciliteiten ook de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en het Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in de Atacama-woestijn in Chili, waarvan ESO mede-eigenaar is en waarin namens haar Europese lidstaten samenwerkt. Credit: EHT Collaboration

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.

Voetnoten

Voetnoten
↑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.
FacebookTwitterMastodonTumblrShare

Gerelateerde Astroblogs:

Astronomen ontdekken sterke spiralende magnetische velden aan de rand van het centrale zwarte gat van de Melkweg Röntgenecho waargenomen van een uitbarsting 200 jaar geleden van zwart gat Sgr A* Ster S0-6 – vlakbij zwarte gat Sgr A* – is mogelijk ingevangen door het Melkwegstelsel
Mobiele versie afsluiten