De wetenschappelijke prestatie van het jaar: eerste foto van een zwart gat

Op andere dagen breken enkel astronomen en theoretisch natuurkundigen zich het hoofd over zwarte gaten – plekken in de ruimte waar de zwaartekracht zo groot is dat zelfs licht er niet kan ontsnappen. Maar op 10 april 2019 was één van de meest bizarre fenomenen van de kosmos wereldnieuws. Omstreeks drie uur in de namiddag onthulde het internationale onderzoeksteam achter het Event Telescope Project (EHT) de allereerste foto ooit genomen van een zwart gat. Dat gebeurde van op persconferenties in liefst zes verschillende steden, waaronder ook Brussel.

Onder sterrenkundigen zoemde het nieuws van de allereerste foto van een zwart gat al maanden rond. De vraag die de meeste ‘waarnemers’ bezighield, was wélk zwart gat het EHT-team precies had gefotografeerd. Er circuleerden twee kandidaten: Sagittarius A*, dat centraal ligt in onze eigen Melkweg, en Messier 87 (M87), een zwart gat in het sterrenbeeld Maagd, vijftig miljoen lichtjaar bij ons vandaan. Omdat Sagittarius met z’n 26.000 lichtjaar relatief dichtbij ligt, gokten de meesten daarop.

Maar ze waren mis, want snel nadat de Nederlandse radioastronoom Heino Falcke het woord had genomen (vanuit de perszaal van het Berlaymontgebouw in Brussel), werd de foto van M87 op het grote scherm getoverd. Die toont een geel-oranje donut met een zwarte ovaal in het midden. Het zwart stelt de zogeheten waarnemingshorizon voor, die bij M87 meer dan vijftig miljard kilometer breed is. Binnen deze horizon kan zelfs licht niet meer ontsnappen aan de immense zwaartekracht van het zwarte gat. De heldere ring eromheen is – wellicht – een mix van de accretieschijf (gloeiend plasma dat aan een duizelingwekkende snelheid rondom het zwarte gat cirkelt) en van licht dat gedwongen wordt de kromgetrokken tijdruimte te volgen.

Falcke, werkzaam aan de Radboud Universiteit Nijmegen en voorzitter van de wetenschappelijke raad van het EHT-project, maakt deel uit van een internationaal team van radioastronomen dat de voorbije jaren de grootste (radio)telescoop ooit heeft opgetuigd: de Event Horizon Telescope. Die wordt gevormd door een aaneenschakeling van acht krachtige schotelantennes, gelegen op afgelegen plekken in (onder andere) Hawaï, Chili, Mexico en zelfs Antarctica. Door die aaneenschakeling ontstond een virtuele telescoop met een schotelantenne – ook virtueel natuurlijk – zo groot als de aarde.

De resolutie van de Event Horizon Telescope was groot genoeg om uit de radiostraling van M87 en zijn directe omgeving een betekenisvol beeld te kunnen destilleren. Uit de helderheid van het onderste gedeelte van de ring concluderen de astronomen dat de materie die de radiostraling uitzendt, met een zekere snelheid naar ons toekomt. Dat kan betekenen dat het zwarte gat roteert, maar het kan ook gewoon een gevolg zijn van de draaiende accretieschijf.

Op de vraag of de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die in 1916 door de beroemde natuurkunde werd neergeschreven, manco’s vertoont nu een zwart gat zich voor het eerst heeft laten fotograferen, antwoordden de astronomen ontkennend. Dat betekent dat de beroemde theorie nóg maar eens een nieuwe test overleeft. Een test met een kosmisch fenomeen in de hoofdrol dat we juist kennen dankzij die theorie.

Exotische objecten

Zwarte gaten zijn veruit de meest tot de verbeelding sprekende elementen in het heelal. Op een bepaalde afstand van een zwart gat is de zwaartekracht zo sterk dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen. De grootste zwarte gaten hebben een massa die vier miljard keer groter is dan die van de zon. In ons eigen Melkwegstelsel zouden honderdduizenden zwarte gaten voorkomen.

Zwarte gaten zijn het eindstadium van het leven van reuzensterren, met een massa die 30 keer groter is dan die van de zon. Een ster is eigenlijk een gigantische kernreactor waar voortdurend kernfusie plaatsvindt. De explosieve kracht die daarbij vrijkomt, is in evenwicht met de zwaartekracht die door de massa van de ster wordt veroorzaakt. Komt de ster nu echter op het einde van haar leven zonder brandstof te zitten, dan valt de kernfusie stil. De zwaartekracht heeft dan vrij spel en zorgt ervoor dat de ster begint te krimpen. De ster wordt tegelijk steeds heter en er ontstaat een supernova, een explosie met de kracht van miljoenen zonnen. Uiteindelijk blijft enkel een punt met een oneindig hoge dichtheid en een oneindig hoge aantrekkingskracht over; een ‘zwart gat’.

Net zoals andere macho’s kunnen zwarte gaten worden ontdekt door de afbuiging van licht. Maar er zijn nog andere verschijnselen die hun aanwezigheid verraden. Als je in het heelal sterren een cirkelvormige baan ziet beschrijven, terwijl zich in het midden van die baan niets lijkt te bevinden, dan bevindt zich daar waarschijnlijk een zwart gat. Als een ster te dicht in de buurt van een zwart gat komt, wordt ze in het gat gezogen en als het ware opgegeten. De materie van de ster wordt daarbij verhit en zendt straling uit die kosmologen kunnen waarnemen.

Zwarte gaten, zo oud als het universum

De eerste zwarte gaten in het universum kunnen dateren van vlak na het begin van de kosmische tijdrekening, toen er alleen nog maar sprake was van een dikke ‘mist’ van elementaire deeltjes. In de jaren 70 kwamen theoretische fysici erachter dat regionen in deze mist met een hoge dichtheid kunnen ineenstorten onder invloed van hun eigen zwaartekracht. Daaruit vormden zich na één seconde na de oerknal zogenoemde oerzwarte gaten. Die zwarte gaten zouden vervolgens het universum op sleeptouw nemen en de bakens uitzetten voor de kosmische structuren – sterren, sterrenstelsels en clusters. Omdat ze geen licht geven, vormen deze oerzwarte gaten een voor de hand liggende kandidaat voor donkere materie.