EHT-waarneemcampagne zwart gat M87* met 19 telescopen

De Event Horizon Telescope-samenwerking heeft de gegevens vrijgegeven van 19 telescopen die het superzware gat in het centrum van sterrenstelsel M87 hebben waargenomen in dezelfde periode dat de gegevens voor het eerste beeld van M87* zijn verzameld. De Amsterdamse astrofysicus Sera Markoff is een van de coördinatoren van deze campagne. De data geven niet alleen inzicht in de manier waarop het zwarte gat de activiteit van M87 aandrijft, maar kunnen ook tests van Einsteins Algemene Relativiteitstheorie verbeteren. Het archief is nu toegankelijk voor de wetenschappelijke gemeenschap.

M87_Multiwavelength: Samengesteld beeld dat het M87-systeem toont in het hele elektromagnetische spectrum, tijdens de EHT-waarneemcampagne in april 2017 van de eerste foto van een zwart gat. Deze opname, waarvoor 19 verschillende telescopen op aarde en in de ruimte nodig waren, laat de enorme schalen zien die worden overbrugd door het zwarte gat en zijn naar voren gerichte jet, die net buiten de waarnemingshorizon wordt gelanceerd en het hele sterrenstelsel omspant. Credit: EHT Multi-Wavelength Science Working Group; EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); EVN; EAVN Collaboration; VLBA (NRAO); GMVA; Hubble Space Telescope, Neil Gehrels Swift Observatory; Chandra X-ray Observatory; Nuclear Spectroscopic Telescope Array; Fermi-LAT Collaboration; H.E.S.S. collaboration; MAGIC collaboration; VERITAS collaboration; NASA en ESA. Samengesteld door J.C. Algaba.

Uit de resultaten blijkt dat de elektromagnetische straling die door materiaal rond het superzware zwarte gat van M87 werd geproduceerd, het laagste niveau had dat ooit is waargenomen. Dit leverde ideale omstandigheden op om de ‘schaduw’ van het zwarte gat te bestuderen en het licht uit de omgeving van de waarnemingshorizon te isoleren van dat uit gebieden tot op tienduizenden lichtjaren afstand van het zwarte gat.

“We wisten dat de eerste directe afbeelding van een zwart gat baanbrekend zou zijn,” zegt coauteur Kazuhiro Hada (National Astronomical Observatory of Japan). “Maar om het maximale uit dit opmerkelijke beeld te halen, moesten we zoveel mogelijk te weten komen over het gedrag van het zwarte gat op dat moment. Dat hebben we gedaan door over het hele elektromagnetische spectrum waar te nemen.”

De gegevens zijn verzameld door een team van 760 wetenschappers en ingenieurs van bijna 200 instituten, verspreid over 32 landen, en met behulp van telescopen over de hele wereld en in de ruimte. De waarnemingen zijn gedaan van eind maart tot midden april 2017. Elke telescoop leverde andere informatie over het gedrag van het zwarte gat in het centrum van M87, dat 6,5 miljard zonsmassa’s zwaar is en zich bevindt op ongeveer 55 miljoen lichtjaar afstand van de aarde.

“Deze reeks waarnemingen omvat veel van ‘s werelds beste telescopen,” zegt coauteur Juan Carlos Algaba van de Universiteit van Malaya in Kuala Lumpur, Maleisië. “Dit is een prachtig voorbeeld van een mondiale astronomische samenwerking.” “Er zijn meerdere groepen die staan te popelen om te zien of hun modellen overeenkomen met de nieuwe waarnemingen, en we zijn benieuwd hoe de gemeenschap deze openbare dataset gebruikt om ons te helpen de diepe verbanden tussen zwarte gaten en hun jets beter te begrijpen,” voegt coauteur Daryl Haggard van de McGill University in Montreal, Canada, toe.

De immense zwaartekracht van een superzwaar zwart gat kan deeltjes versnellen die vervolgens met bijna de lichtsnelheid over grote afstanden reizen. M87 produceert licht over het hele elektromagnetische spectrum, van radiogolven tot zichtbaar licht en gammastralen. Voor elk zwart gat is dit patroon anders. Het classificeren van dit patroon geeft inzicht in de eigenschappen van een zwart gat (bijvoorbeeld zijn spin en energie-output), maar de interpretatie hiervan is een uitdaging omdat het variabel is.

De EHT-wetenschappers hebben daarom de hulp ingeroepen van de krachtigste telescopen op de grond en in de ruimte, om het licht over het hele spectrum te verzamelen. Dit is de grootste gelijktijdige waarneemcampagne die ooit is ondernomen voor een superzwaar zwart gat met straalstromen.

“Inzicht in de versnelling van de deeltjes is echt van cruciaal belang voor ons begrip van zowel de EHT-foto als de jets, in al hun ‘kleuren’,” zegt Sera Markoff (Universiteit van Amsterdam). “Deze jets transporteren de energie die door het zwarte gat vrijkomt naar schalen die groter zijn dan het melkwegstelsel, als een enorm elektriciteitssnoer. Onze resultaten zullen ons helpen om de hoeveelheid getransporteerde energie te berekenen, en het effect dat de jets uit het zwarte gat hebben op zijn omgeving.”

In april 2019 gaven wetenschappers de eerste afbeelding vrij van een zwart gat in het sterrenstelsel M87, zoals waargenomen met behulp van de Event Horizon Telescope (EHT). De publicatie van deze nieuwe schat aan gegevens valt samen met de waarneemcampagne van de EHT in 2021, waarbij de wereldwijde array van radioschotels voor het eerst sinds 2018 weer geactiveerd is.

De campagne van vorig jaar werd geannuleerd vanwege de COVID-19 pandemie, en het jaar daarvoor opgeschort vanwege technische ontwikkelingen. Juist deze week richten EHT-astronomen zich weer zes nachten lang op het superzware zwarte gat in M87, maar ook op het zwarte gat in onze eigen Melkweg (Sagittarius A*) en een aantal verder weg gelegen zwarte gaten. Ten opzichte van 2017 is de array versterkt met nog eens drie radiotelescopen: de Greenland Telescope, de Kitt Peak 12-meter Telescope in Arizona, VS, en de NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankrijk.

“Met de vrijgave van de nieuwe gegevens, gecombineerd met de hervatting van de waarnemingen en een verbeterde EHT, weten we dat er veel spannende nieuwe resultaten in het verschiet liggen,” besluit coauteur Mislav Balokovi? van Yale University, VS.

Wetenschappelijke artikel
Dit artikel werd geleid door 33 leden van de EHT Multiwavelength Science Working Group, en bevat als coauteurs leden van de volgende samenwerkingsverbanden: de gehele Event Horizon Telescope Collaboration; de Fermi Large Area Telescope Collaboration; de H.E.S.S.-samenwerking; de MAGIC-samenwerking; de VERITAS-samenwerking en de EAVN-samenwerking. De coördinatoren van de EHT Multiwavelength Science Working Group zijn Sera Markoff, Kazuhiro Hada, en Daryl Haggard, die samen met Juan Carlos Algaba en Mislav Balokovi? ook het werk aan het artikel hebben gecoördineerd.

Bron: Astronomie.nl.

Astronomen brengen magnetische velden aan rand van zwart gat in M87 in beeld

De Event Horizon Telescope (EHT) samenwerking, die de allereerste foto van een zwart gat maakte, heeft vandaag een nieuwe afbeelding van het massarijke object in het centrum van het sterrenstelsel M87 gepresenteerd. Ze toont hoe dit object er in gepolariseerd licht uitziet. Het is voor het eerst dat het astronomen is gelukt om polarisatie – een kenmerk van magnetische velden – zo dicht bij de rand van een zwart gat te meten. Aan de hand van deze waarnemingen hopen astronomen te kunnen verklaren hoe het 55 miljoen lichtjaar verre sterrenstelsel in staat is om energetische jets vanuit zijn kern te ‘lanceren’.

De Event Horizon Telescope (EHT) samenwerking, die in 2019 de allereerste foto van een zwart gat presenteerde, heeft vandaag een nieuwe afbeelding van het massarijke object in het centrum van het sterrenstelsel M87 vrijgegeven. Ze toont hoe dit object er in gepolariseerd licht uitziet. Het is voor het eerst dat het astronomen is gelukt om polarisatie – een kenmerk van magnetische velden – zo dicht bij de rand van een zwart gat te meten. Deze foto toont het gepolariseerde beeld van het zwarte gat in M87. De lijnen geven de oriëntatie aan van de polarisatie, die verband houdt met het magnetische veld rond de schaduw van het zwarte gat. Credit: EHT Collaboration

‘We hebben nu nieuw cruciaal bewijs gevonden dat ons helpt begrijpen hoe magnetische velden zich rond zware gaten gedragen, en hoe de activiteit in dit zeer compacte stukje ruimte krachtige jets kan aandrijven die zich tot ver buiten het sterrenstelsel uitstrekken,’ zegt Monika Mos?cibrodzka, coördinator van de Polarimetrie-werkgroep van de EHT en hoofddocent aan de Radboud Universiteit.

Op 10 april 2019 presenteerden wetenschappers de allereerste foto van een zwart gat, waarop een heldere ringachtige structuur rond een donker centrum – de schaduw van het zwarte gat – te zien was. Sindsdien is de EHT-samenwerking dieper in de in 2017 verzamelde data van dit superzware zwarte gat in het hart van het sterrenstelsel M87 gedoken. Daarbij is ontdekt dat een aanzienlijke fractie van het licht rond dit zwarte gat gepolariseerd is.

Opnamen in gepolariseerd licht van het superzware zwarte gat in M87 en de bijbehorende jet. Credit: EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal

‘Dit onderzoek is een belangrijke mijlpaal: de polarisatie van licht bevat informatie die meer inzicht geeft in de fysica achter de foto die we in april 2019 hebben gezien,’ aldus Iván Martí-Vidal, ook coördinator van de Polarimetrie-werkgroep van de EHT, en GenT Distinguished Researcher aan de Universiteit van Valencia, Spanje. ‘In deze nieuwe opname van gepolariseerd licht is jaren werk gaan zitten, door de complexiteit van de technieken die nodig waren om de data te verzamelen en te analyseren.’

Licht wordt gepolariseerd wanneer het door bepaalde filters gaat, zoals de glazen van een gepolariseerde zonnebril, of wanneer het wordt uitgezonden door hete gebieden in de ruimte die gemagnetiseerd zijn. Net zoals een gepolariseerde zonnebril ons beter laat zien door de weerkaatsingen en schitteringen van heldere oppervlakken te verminderen, kunnen astronomen hun zicht op de omgeving van een zwart gat verbeteren door te kijken hoe het daarvan afkomstige licht gepolariseerd is. Meer specifiek stelt polarisatie astronomen in staat om de magnetische veldlijnen langs de rand van het zwarte gat in kaart te brengen.

Messier 87 in het sterrenbeeld Maagd. Credit: ESO, IAU and Sky & Telescope.

‘De nu gepubliceerde polarisatie-afbeeldingen zijn cruciaal voor ons begrip van hoe het magnetische veld het zwarte gat in staat stelt om materie ‘op te slokken’ en krachtige jets te lanceren,’ zegt Andrew Chael, lid van de EHT-samenwerking en NASA Hubble Fellow aan het Princeton Center for Theoretical Science en het Princeton Gravity Initiative in de VS.

De heldere jets van energie en materie die aan de kern van M87 ontspringen, en zich tot op minstens 5000 lichtjaar van zijn kern uitstrekken, behoren tot de meest geheimzinnige en energetische kenmerken van het sterrenstelsel. De meeste materie die zich dicht bij de rand van een zwart gat bevindt, valt naar binnen. Maar sommige van de deeltjes in de omgeving weten op het nippertje te ontsnappen en worden in de vorm van jets ver de ruimte in geblazen.

De cruciale bijdrage van ALMA en APEX aan de EHT. Credit: EHT Collaboration

Om dit proces beter te begrijpen, konden astronomen vertrouwen op verschillende modellen die beschrijven hoe materie zich in de omgeving van het zwarte gat gedraagt. Maar ze weten nog steeds niet precies hoe jets groter dan het sterrenstelsel zelf kunnen worden gelanceerd vanuit een centraal gebied dat kleiner is dan ons zonnestelsel, en ook niet hoe materie precies in het zwarte gat valt. Met de nieuwe EHT-opname van het zwarte gat en diens schaduw in gepolariseerd licht zijn astronomen er voor het eerst in geslaagd om het gebied vlak buiten het zwarte gat te bekijken, waar deze interactie tussen naar binnen stromende en naar buiten geblazen materie zich afspeelt.

De waarnemingen verschaffen nieuwe informatie over de structuur van de magnetische velden net buiten het zwarte gat. Het team heeft ontdekt dat alleen theoretische modellen waarin een belangrijke rol is weggelegd voor sterk gemagnetiseerd gas kunnen verklaren wat zij aan de waarnemingshorizon zien gebeuren.

Artist’s impression van het zwarte gat in het hart van M87. Credit: ESO/M. Kornmesser

‘De waarnemingen suggereren dat de magnetische velden aan de rand van het zwarte gat sterk genoeg zijn om het hete gas terug te duwen en het helpt om de zwaartekracht te weerstaan. Alleen gas dat door het veld heen glipt kan naar de waarnemingshorizon toe spiralen,’ verklaart Jason Dexter, hoofddocent aan de Universiteit van Colorado te Boulder (VS) en coördinator van de Theorie-werkgroep van de EHT.

Om het hart van het sterrenstelsel M87 waar te nemen, heeft de EHT-samenwerkiing acht telescopen verspreid over de wereld met elkaar verbonden – waaronder de in het noorden van Chili gestationeerde Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en het Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), waarin de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) partner is – om zo een virtuele telescoop ter grootte van de aarde te creëren: de EHT. Met de indrukwekkende resolutie die met de EHT wordt verkregen, zou je de lengte kunnen meten van een creditcard die op het oppervlak van de maan ligt.

Messier 87, vastgelegd door ESO’s Very Large Telescope. Credit: ESO.

‘Met ALMA en APEX, die door hun zuidelijke locatie de beeldkwaliteit verbeteren door het EHT-netwerk over een groter geografisch gebied uit te spreiden, konden Europese wetenschappers een centrale rol spelen in het onderzoek’, zegt Francisca Kemper, Europees ALMA-programmawetenschapper bij ESO. ‘Met zijn 66 antennes domineert ALMA de algehele signaal-verzameling in gepolariseerd licht, terwijl APEX essentieel was voor de kalibratie van de opname.’

‘De ALMA-data waren ook cruciaal voor het kalibreren, in beeld brengen en interpreteren van de EHT-waarnemingen, door stringente restricties op te leggen aan de theoretische modellen die verklaren hoe materie zich in de omgeving van de waarnemingshorizon van het zwarte gat gedraagt,’ voegt Ciriaco Goddi, wetenschapper aan de Radboud Universiteit en de Sterrewacht Leiden, daaraan toe. Goddi gaf leiding aan een begeleidend onderzoek dat volledig op ALMA-gegevens was gebaseerd.

De EHT-opzet stelde het team in staat om de schaduw van het zwart gat en de ring van licht daaromheen rechtstreeks waar te nemen, terwijl de nieuwe opname van gepolariseerd licht duidelijk laat zien dat de ring gemagnetiseerd is. De resultaten worden vandaag in twee afzonderlijke artikelen in de Astrophysical Journal Letters door de EHT-samenwerking gepubliceerd. Bij het onderzoek waren meer dan driehonderd wetenschappers van tal van organisaties en universiteiten van over de hele wereld betrokken.

‘Dankzij technologische upgrades van het netwerk en de toevoeging van nieuwe telescopen boekt de EHT snelle vooruitgang. We verwachten dat toekomstige EHT-waarnemingen de magnetische veldstructuur rond het zwarte gat nauwkeuriger zullen tonen en ons meer zullen vertellen over de fysica van het hete gas in dit gebied’, concludeert Jongho Park, lid van de EHT-samenwerking en East Asian Core Observatories Association Fellow aan de Academia Sinica, het Instituut voor Astronomie en Astrofysica in Taipei.

Publicaties:
–       First M87 Event Horizon Telescope Results VII: polarization of the ring, The Astrophysical Journal, DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abee6a
–       First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon, The Astrophysical Journal. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abe4de
–       Polarimetric properties of Event Horizon Telescope targets from ALMA, The Astrophysical Journal. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/abee6a

Bron: ESO.

Einstein’s Relativiteitstheorie doorstaat ook de zware M87-test – veel alternatieven niet

Simulatie van heet gas dat om het zwarte gat M87* draait. Dat gas – blauw weergegeven – draait om de schaduw van het zwarte gat, Credit: L. Medeiros; C. Chan; D. Psaltis; F. Özel; UArizona; IAS.

De Algemene Relativiteitstheorie (ART) van Albert Einstein (1915) heeft al vele testen doorstaan. De eerste was die van Arhur Eddington, die in 1919 tijdens een zonsverduistering waarnam dat sterren vlakbij de zon tijdens de eclips iets van plek verschoven waren, doordat de ruimte om de zon door diens massa iets was gekromd, conform de voorspellingen op grond van de ART. De laatste tweehonderd jaar later: een test met behulp van de schaduw van M87* (alias Powehi), het superzware zwarte gat in het centrum van het ellipsstelsel M87, het zwarte gat 55 miljoen lichtjaar van ons vandaan dat gefotografeerd werd met de Event Horizon Telescope (EHT). Een team van sterrenkundigen onder leiding van Dimitrios Psaltis (University of Arizona) heeft de omvang van de schaduw van het zwarte gat op die foto heel precies bestudeerd en daaruit komt naar voren dat die omvang precies voldoet aan de voorspellingen van de ART voor een zwart gat dat 6,5 miljard zonsmassa zwaar is, de gemeten massa van M87*. Er zijn genoeg alternatieven voor de ART, maar de test die nu gedaan is met behulp van M87* heeft er voor gezorgd dat het voor die alternatieven 500 keer zo lastig zal worden om de ART te ontkrachten en een beter alternatief te bieden.

Visualisatie om de grootte van de schaduw van M87* te testen. De ART geeft precies de juiste grootte weer. Credit: D. Psaltis, UArizona; EHT Collaboration.

De test van Eddington van 1919 was er eentje waarin sprake was van een zwak zwaartekrachtveld: dat van de zon. Die van 2020 van M87* is de allerzwaarte tot nu toe, die van een zeer sterk zwaartekrachtveld van M87*. Daartussen zitten vele testen die afgelopen honderd jaar gedaan zijn met tussenliggende sterkten, zoals met Sagittarius A*, het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg, dat 4,3 miljoen keer zo zwaar als de zon is, en met botsende zwarte gaten, tientallen keren zo zwaar als de zon, waarvan de zwaartekrachtgolven door LIGO-Virgo zijn gedetecteerd. De ART heeft nu dus ook de zwaarste test doorstaan, die van M87*, vele theorieën die gemodificeerde zwaartekracht poneren konden dat niet. Toch zal er een moment komen dat zelfs de ART de test niet doorstaat. Dat komt omdat er situaties zijn waarin ook de ART niet meer geldig is, zoals binnen de waarnemingshorizon van zwarte gaten, waar zich een singulariteit bevindt. Een theorie die een combinatie zal zijn tussen de ART en de kwantum mechanica zal dat wel moeten kunnen doen… alleen is die theorie er nog niet. Hier het vakartikel van Psaltis en z’n team, verschenen in the Physical Review Letters. Bron: Eurekalert.

De schaduw van het zwarte gat M87* wiebelt

Snapshots van de verschijningsvorm van M87*, verkregen met opnamen en modellen en de EHT-array tussen 2009 en 2017. De diameter van de ringen is hetzelfde, maar de locatie van de heldere zijde varieert. Credit: M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration

Het EHT-team dat vorig jaar de eerste foto van de schaduw van een zwart gat publiceerde, heeft met de daarmee opgedane kennis archiefdata uit de periode 2009-2013 geanalyseerd en concludeert dat de schaduw over de jaren heen wiebelt. De resultaten van het team, met daarin onder anderen de promovendi Sara Issaoun en Christiaan Brinkerink van de Radboud Universiteit, en Sera Markoff en haar promovendus Koushik Chatterjee van de Universiteit van Amsterdam, worden vandaag gepubliceerd in The Astrophysical Journal.

De EHT (Event Horizon Telescope) is een array van telescopen, die met behulp van de techniek die Very Long Baseline Interferometry (VLBI) heet, een virtuele radiotelescoop vormt met een schoteldiameter ter grootte van de aarde. In de periode 2009-2013 werd M87* (het superzware zwarte gat in het sterrenstelsel M87) waargenomen met prototype EHT-telescopen, op drie plekken in de periode 2009-2012 en op vier in 2013. De volledige EHT-array kwam in bedrijf in 2017, met zeven telescopen gelokaliseerd op vijf locaties rond de aarde.

Hoewel de waarnemingen van 2009-2013 veel minder data bevatten dan die van 2017, waardoor toen geen plaatje gemaakt kon worden, heeft het EHT-team met behulp van statistische modellen veranderingen in de verschijning van M87* tussen 2009 en 2017 kunnen vaststellen.

Ze concluderen dat de diameter van de schaduw van het zwarte gat consistent blijft met de voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie voor zwarte gaten van 6,5 miljard zonsmassa’s. Maar ze vonden ook iets onverwacht: de halvemaanvormige ring van heet plasma rond M87* wiebelt. Daarmee hebben de astronomen voor het eerst zo dicht bij de waarnemingshorizon van een zwart gat, waar de zwaartekracht extreem is, een glimp opgevangen van de dynamische accretiestructuur.

Sara Issaoun (RU): “De kennis die we hebben opgedaan tijdens de laatste waarnemingen van M87* in 2017 hebben we dus toegepast op oudere data. We ontdekten dat de grootte van de ring hetzelfde bleef, maar dat de straling van het gas rondom over de jaren heen verandert.”

Sera Markoff (UvA) voegt daaraan toe: “Hoe helder de plek in de ring is hangt af van de eigenschappen van het gas rond het zwarte gat maar ook van zijn ‘spin’ en hun relatieve oriëntaties. We hebben nu al meerdere theoretische modellen voor accretie overboord kunnen zetten, waardoor we de zwaartekrachtswetten rond zwarte gaten beter kunnen testen.”

De EHT-astronomen beschikken nu over een schat aan gegevens over de dynamica van zwarte gaten. Het team werkt momenteel aan de analyse van de data van 2018, waarbij nog een extra telescoop (in Groenland) was betrokken. In 2021 wordt de array met nog twee telescopen uitgebreid. Bron: Astronomie.nl.

Superzware zwart gat Sagittarius A* kan magnetisch gearresteerd raken

Impressie van de nabije omgeving van Sgr A*. Credit: NASA.

In het centrum van ons Melkwegstelsel bevindt zich Sagittarius A* (kortweg: Sgr A* ), het superzware zwarte gat van ruim vier miljoen zonsmassa. Met de Event Horizon Telescope (EHT) probeert men dat zwarte gat te fotograferen, maar dat valt niet mee, omdat het beeld van de nabije omgeving van het zwarte gat vertroebeld wordt door veel activiteit veroorzaakt door invallende materie. Maar een team van sterrenkundigen van het Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) van de Universiteit van Santa Barbara heeft computersimulaties uitgevoerd en die zouden wel eens kunnen helpen bij het goed kunnen fotograferen van Sgr A* door de EHT, de globale telescoop waarmee eerder het nog veel zwaardere zwarte gat M87* in het centrum van het elliptische stelsel M87 werd gefotografeerd. Sean Ressler van KITP en z’n team keken bij die simulaties naar de invallende materie vlakbij de waarnemingshorizon van Sgr A*, naar het magnetische veld rondom het zwarte gat, dat zich uitstrekt tot aan de sterren die zich het dichtste bij Sgr A* bevinden, de hofleveranciers van de invallende materie. Hieronder zie je een simulatie van de emissie van licht vlakbij Sgr A*, als gedurende een periode van 53 uur materiaal invalt.


Credit video: SEAN RESSLER AND CHRIS WHITE
Probleem waar de onderzoekers mee worstelden was de afstand tot het zwarte gat en de tijdschaal waarop de processen zich op die afstanden afspelen. Bij de waarnemingshorizon van Sgr A* zelf, die een straal van zo’n 6,5 tot 13 miljoen km heeft, spelen de processen zich in zeer korte tijd af, met tijdschalen van enkele seconden. Maar bij de zware sterren in de buurt van Sgr A*, die minstens 3 lichtjaar ver weg staan, kan die tijdschaal duizenden jaren duren. In de omgeving van Sgr A* staan zo’n dertig zogeheten Wolf-Rayetsterren, zeer zware sterren die een enorm krachtige sterrenwind hebben. Tussen de kleinste tijdschaal vlakbij Sgr A* en de dertig Wolf-Rayetsterren verderop zit maar liefst zeven ordes van grootte verschil en dat is erg lastig in één computersimulatie te vatten.


Credit video: SEAN RESSLER AND CHRIS WHITE.
En toch is het Ressler en z’n team gelukt dat te doen (hierboven de simulatie van de sterke sterrenwinden bij enkele WR-sterren). Daaruit kwam naar voren dat het magnetische veld van Sgr A*, dat gegenereerd wordt door de invallende materie, gearresteerd kan raken, zoals dat wordt genoemd, dat wil zeggen dat het een punt kan bereiken waarop het zwarte gat zich verslikt in de invallende materie. En dat hadden ze eigenlijk niet verwacht, want bij zwarte gaten die magnetisch gearresteerd raken verwacht je meestal een uitstroom van energierijke jets, in de richting van de magnetische polen. Maar bij Sgr A* zijn geen energierijke jets bekend. Ressler en z’n team hopen dat de simulaties gebruikt kunnen worden door de mensen van de EHT om het zwarte gat Sgr A* goed te kunnen fotograferen. Een vakartikel over de computersimulaties aan Sgr A* verscheen in The Astrophysical Journal. Bron: UC Santa Barbara.

Onderzoekers ontdekken hoe je haarscherpe foto’s van zwarte gaten kunt maken

Het beeld van een zwart gat bestaat uit een serie van heldere ringen, die dezelfde diameter hebben, maar die steeds scherper worden naarmate de fotonen meer omlopen om het zwarte gat hebben gedaan. Credit: George Wong (UIUC) and Michael Johnson (CfA)

Een team sterrenkundigen van het Center for Astrophysics | Harvard and Smithsonian (CfA) in de VS heeft ontdekt hoe je van zwarte gaten haarscherpe foto’s kan maken. Van één zwart gat hebben we al een foto, die van M87* alias Powehi, het superzware zwarte gat in het centrum van M87, gefotografeerd met de Event Horizon Telescope (EHT). Het blijkt uit de berekeningen dat in zo’n foto van een zwart gat een hele serie ‘geneste’ ringen zit, waarbij iedere volgende ring telkens dezelfde diameter heeft, maar steeds scherper is, omdat het licht van de ring vaker om het zwarte gat gedraaid heeft – zie de afbeelding hierboven. Een zwart gat trekt door z’n extreme zwaartekracht fotonen (lichtdeeltjes) aan en die kunnen na één of meerdere omlopen rondom de waarnemingshorizon naar het oneindige verdwijnen óf in het zwarte gat vallen. Zwarte gaten werpen een zogeheten schaduw op het hete invallende gas en die schaduw wordt begrensd door een foton ring, de ring van fotonen die sterk afgebogen worden door het zwarte gat.

Om die opeenvolgende ringen te kunnen zien zijn wel grotere telescopen dan de EHT nodig. Om bijvoorbeeld de n=1 subring te zien moet de EHT worden uitgebreid met een extra telescoop ergens in een baan om de aarde. Wil je de n=2 subring zien dan moet je ‘m uitbreiden met een telescoop op de maan (zie de afbeelding hieronder).

Credit: Michael D. Johnson (CfA), Simulation: George Wong (UIUC)

De berekeningen over foto’s aan een zwart gat werden gepubliceerd in Sciences Advanced. Ehhh.. wat de EHT zelf betreft: die is, zoals we weten bezig om ook een foto, nee wat zeg ik, een video te maken van Sgr A*, het superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel. Maar ook in het EHT-team heeft het coronavirus toegeslagen, want de waarnemingen zijn uit voorzorg stopgezet, zoals te lezen in onderstaande tweet.

Bron: IAS.

Vrijdag 1 november lezing bij Huygens over de eerste foto van een zwart gat

Eerste foto van zwart gat, M87*, gemaakt met de EHT. (c) EHT Collaboration.

Op vrijdag 1 november zal Raquel Fraga-Encinas (Radboud Universiteit) bij sterrenkundevereniging Christiaan Huygens in Papendrecht een lezing houden over de eerste foto die ooit van een zwart gat gemaakt is, de foto van het superzware zwarte gat in het centrum van het elliptische sterrenstelsel M87, gemaakt met de Event Horizon Telescope. De lezing is in het Engels. Hieronder meer informatie daarover.

Raquel Fraga-Encinas is a Spanish born astrophysicist who fell in love with the night-sky at an early age. She did her Bachelor’s degree in Astrophysics at the University of New Mexico in the USA and proceeded to get a Master’s in Astronomy at the University of Maryland. After working in Spain several years as support scientist for ESA’s Athena X-ray observatory, she decided to carry out her PhD research at Radboud University in Nijmegen. She is part of the Event Horizon Telescope collaboration and she investigates the properties of Sagittarius A*, the supermassive black hole at
the center of our own galaxy, which is the other main scientific target of the Event Horizon Telescope along with M87.

The lecture will begin with an overview of the history of black holes, what we know about their physics via theory and observations. Then Raquel will introduce the topic of interferometry and how observations are made with radio telescopes. In addition, she will tell us about the Event Horizon Telescope, a world-wide network of radio telescopes that has taken – for the first time ever – a picture of a black hole. The lecture will cover the process for obtaining this amazing image, its
challenges, and what we can learn about this supermassive black hole in heart of M87.

De zaal is geopend om 19:30 uur en ze beginnen met de lezing om 20:00 uur. Bron en meer info: Chr. Huygens.

Heb je soms ook zwarte gaten bestaande uit… donkere energie?

Voorstelling van de Powehi GEODE in M87. Die zou ongeveer 2/3e in omvang zijn van het gebied dat met de Event Horizon Telescope is gefotografeerd, de groene zone. Credit: EHT collaboration; NASA/CXC/Villanova University

Recent hebben twee onderzoekers van de Universiteit van Hawaï in Manoa ontdekt dat er in de veldvergelijkingen van Albert Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie uit 1915 mogelijk een fout zit, een fout die best cruciaal kan zijn. Einstein had als aanname dat een groot object, zoals het heelal, niet wordt beïnvloed door kleinschalige objecten, zoals sterren. Kevin Croker en Joel Weiner hebben die aanname nu onderuit gehaald, want zij hebben laten zien dat compacte, dichte objecten, zoals zwarte gaten, wel degelijk van invloed kunnen zijn op de ontwikkeling van het heelal. En die invloed is viceversa, óók het heelal heeft invloed op de groei of krimp van kleine objecten. En dat betekent dat bijvoorbeeld de snelheid waarmee het heelal uitdijt ons informatie kan geven over de wijze waarop zware sterren aan hun leven kunnen komen. Van zware sterren (>8 zonsmassa) gaan we er al tientallen jaren van uit dat die na een supernova-explosie van type II een kern hebben die implodeert tot zwart gat. Maar dat blijkt niet altijd het geval te zijn, aldus Croker en Weiner.

De Hubble eXtreme Deep Field (XDF). Hebben het heelal en zwarte gaten van donkere energie invloed op elkaar? Credit: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI).

Ze komen met een theorie van Erast Gliner, die al in 1966 (!) betoogde dat er zogeheten Generic Objects of Dark Energy (GEODE’s) zouden bestaan, zwarte gaten die niet bestaan uit gewone materie, maar uit donkere energie. Van buiten bekeken zouden die GEODE’s net gewone zwarte gaten zijn, met al hun massa in een singulariteit, maar in werkelijkheid zouden ze uit donkere energie bestaan. En al die GEODE’s samen zouden door hun donkere energie bijdragen aan de versnelde expansie van het heelal, een versnelling die in 1998 door twee onafhankelijke teams aan de hand van type Ia supernovae is waargenomen. Sinds 2015 zijn gedurende de O1 en O2 waarneemcampagnes van LIGO en Virgo tien zwaartekrachtgolven van paren botsende zwarte gaten ontdekt. Al die zwarte gaten zijn tientallen zonsmassa zwaar, eigenlijk zwaarder dan de modellen van evolutie van zware sterren voorspellen. Croker en Weiner denken daarom dat al die zwarte gaten in werkelijkheid GEODE’s zijn, die groter kunnen zijn. Het centrale zwarte gat M87* in M87, dat de Hawaïaanse naam Powehi heeft gekregen, zou ook zo’n superzware GEODE kunnen zijn, zoals te zien in de afbeelding bovenaan. En dat alles hebben ze beschreven in dit vakartikel: “Implications of Symmetry and Pressure in Friedmann Cosmology: I. Formalism”, gepubliceerd op 28 augustus in The Astrophysical Journal. Bron: Universiteit van Hawaï.

 

Makers van de eerste foto van een zwart gat ontvangen 2020 Breakthrough Prize

Credit: Event Horizon Telescope Collaboration

Gisteren is bekend geworden dat de wetenschappers die behoren tot de ‘Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration’ de 2020 Breakthrough Prize voor fundamentele natuurkunde zullen ontvangen. Dit vanwege hun prestatie om voor de allereerste keer een foto te maken van een zwart gat, het zwarte gat M87* (a.k.a. Powehi), gelegen in het centrum van het elliptische sterrenstelsel M87 – zie de foto hierboven. Op 10 april van dit jaar werd die foto wereldkundig gemaakt. Het samenwerkingsverband van de EHT bestaat uit 348 sterrenkundigen van 60 instituten uit twintig landen, die met acht over de wereld verspreidde radiotelescopen die foto hebben gemaakt. Op 3 november zal Shep Doeleman (Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian) bij NASA Ames Research Center in Mountain View, Californië, namens de EHT-groep de prijs in ontvangst nemen, een bedrag van $ 3 miljoen. Bron: CfA.

Telescopen in de ruimte voor nog scherpere foto’s van zwarte gaten

De EHI heeft in de ruimte een ruim vijf keer hogere resolutie dan de EHT op aarde en foto’s kunnen met een grotere betrouwbaarheid worden gereconstrueerd. Linksboven: Model van Sagittarius A* op een waarneemfrequentie van 230 GHz. Rechtsboven: Simulatie van een foto van dit model met de EHT. Linksonder: Model van Sgr A* op een waarneemfrequentie van 690 GHz. Rechtsonder: Simulatie van een foto van dit model met de EHI. Credits: Radbouw/F.Roulofs et al.

Nu het sterrenkundigen is gelukt om de eerste foto van een zwart gat te maken, staat de volgende uitdaging voor de deur: nog scherpere foto’s waarmee Einsteins relativiteitstheorie getest kan worden. Sterrenkundigen van de Radboud Universiteit, samen met onder meer de Europese ruimtevaartorganisatie (ESA), presenteren nu een concept om dat te doen door radiotelescopen de ruimte in te sturen. Ze presenteren hun plannen in het wetenschappelijke tijdschrift Astronomy & Astrophysics.
Het idee is om twee of drie satellieten in een cirkelbaan rond de aarde te brengen die zwarte gaten gaan waarnemen. De sterrenkundigen noemen het concept de ‘Event Horizon Imager’ (EHI). In de nieuwe studie presenteren de onderzoekers simulaties van hoe foto’s van het zwarte gat Sagittarius A* eruit zouden zien als ze gemaakt zouden worden door dit soort satellieten.

Meer dan vijf keer zo scherp

‘Het heeft veel voordelen om satellieten te gebruiken in plaats van vaste radiotelescopen op aarde, zoals gedaan is bij de Event Horizon Telescope (EHT)’, aldus Freek Roelofs, promovendus astrofysica aan de Radboud Universiteit en eerste auteur van de publicatie. ‘In de ruimte kun je waarnemingen doen met hogere radiofrequenties, omdat die frequenties vanaf aarde uitgefilterd worden door de atmosfeer. Ook de afstand tussen de telescopen wordt groter in de ruimte. Hiermee kan een grote sprong voorwaarts gemaakt worden. We zouden foto’s kunnen maken met een resolutie die meer dan vijf keer hoger is dan de EHT.’
Scherpere foto’s van een zwart gat leiden tot betere informatie waarmee Einsteins algemene relativiteitstheorie in meer detail getest kan worden. ‘Het feit dat de satellieten rond de aarde bewegen heeft grote voordelen’, zegt Heino Falcke, hoogleraar radioastronomie. ‘Hiermee kun je bijna perfecte foto’s maken en echte details van zwarte gaten zien. Als er kleine afwijkingen van Einsteins theorie zijn, zouden we dit moeten zien.’
Ook kan de EHI zo’n vijf extra zwarte gaten fotograferen die kleiner zijn dan de zwarte gaten waar de EHT nu op focust. Die laatste zijn Sagittarius A* in het centrum van onze Melkweg en M87* in het centrum van Messier 87, een zwaar sterrenstelsel in de Virgocluster.

Eerste foto van een zwart gat, M87*, gemaakt met de EHT. (c) EHT Collaboration.

Technologische uitdagingen

De onderzoekers hebben gesimuleerd wat ze met verschillende varianten van de techniek onder verschillende omstandigheden zouden kunnen zien. Hiervoor maakten ze gebruik van modellen van het gedrag van het plasma rond het zwarte gat en de straling die daardoor wordt uitgezonden. ‘De simulaties zien er wetenschappelijk gezien veelbelovend uit, maar op technisch vlak zijn nog obstakels te overwinnen’, zegt Roelofs.
Om de technische haalbaarheid van het project te onderzoeken werkten de sterrenkundigen samen met onderzoekers van ESA/ESTEC. ‘Het concept vereist dat je heel goed de positie en de snelheid van de satellieten moet kunnen weten’, aldus Volodymyr Kudriashov, onderzoeker bij het Radboud Radio Lab en tevens werkzaam bij ESA/ESTEC. ‘Maar wij denken dat het project echt haalbaar is.’
Ook moet er nagedacht worden over hoe de satellieten data uitwisselen. ‘Bij de EHT worden harde schijven met data per vliegtuig vervoerd, dat kan natuurlijk niet in de ruimte.’ In dit concept wisselen de satellieten de data uit via een laserlink en wordt de data aan boord al gedeeltelijk verwerkt en vervolgens naar de grond gestuurd voor verdere analyse. ‘Laserlinks bestaan al in de ruimte’, benadrukt Kudriashov.

Hybride systeem

Het idee is dat de satellieten in eerste instantie los van de EHT-telescopen gaan fungeren. Maar er wordt ook nagedacht over een hybride systeem, waarbij de zwevende telescopen gecombineerd worden met die op aarde. Falcke: ‘Met zo’n hybride vorm zouden er ook mogelijkheden zijn voor het maken van bewegende beelden van een zwart gat, en je zou nog meer en ook zwakkere bronnen kunnen waarnemen.’ Bron: Radboud Universiteit.