De historische foto van Sagittarius A* is het hoogtepunt van een tientallen jaren durende astronomische zoektocht en een cruciale stap in de richting van een nieuw begrip van zwarte gaten, zwaartekracht en ruimtetijd.
Het mysterie in het hart van de Melkweg is eindelijk opgelost. Gisteren hebben de astronomen van de Event Horizon Telescope (EHT) tijdens gelijktijdige persconferenties over de hele wereld de eerste afbeelding onthuld van Sagittarius A*, het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Het is niet de eerste foto van een zwart gat die deze samenwerking ons heeft gegeven - dat was het iconische beeld van M87*, dat ze op 10 april 2019 onthulden. Maar het is wel degene die ze het liefst wilden hebben. Sagittarius A* is ons eigen supermassief zwart gat, het stilstaande punt waar ons melkwegstelsel omheen draait.
Wetenschappers hebben lang gedacht dat een superzwaar zwart gat, diep verborgen in het chaotische centrale gebied van ons melkwegstelsel, de enige mogelijke verklaring was voor de bizarre dingen die daar gebeuren - zoals reuzensterren die met een aanzienlijke fractie van de lichtsnelheid rond een onzichtbaar iets in de ruimte slingeren. Toch hebben ze geaarzeld om dat ronduit te zeggen. Bijvoorbeeld toen astronomen Reinhard Genzel en Andrea Ghez een deel van de Nobelprijs voor natuurkunde voor 2020 ontvingen voor hun werk aan Sagittarius A*, vermeldden ze in hun eervolle vermelding dat ze werden onderscheiden voor ‘de ontdekking van een superzwaar compact object in het centrum van ons melkwegstelsel’, niet voor de onthulling van een ‘zwart gat’. De tijd voor dat soort voorzichtigheid is voorbij.
Foto onder. Links M87*, het superzware zwarte gat in het centrum van het 55 miljoen lichtjaar verre sterrenstelsel Messier 87, rechts Sagittarius A* (Sgr A*), het zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel.
Zwarte gaten sluiten alles in wat erin valt, ook licht, dus zijn ze, in zeer reële zin, niet te zien. Maar ze trekken de ruimtetijd om zich heen zo sterk krom dat ze een ‘schaduw’ werpen wanneer ze verlicht worden door gloeiende stromen van binnenvallende materie die in hun zwaartekrachtsgreep versnipperd wordt. De schaduw is ongeveer tweeënhalf keer zo groot als de waarnemingshorizon van een zwart gat.
De EHT legt beelden van deze schaduw vast met een techniek die zeer lange baseline interferometrie (VLBI) wordt genoemd, waarbij radio-observatoria op meerdere continenten worden gecombineerd om een virtuele telescoop ter grootte van de aarde te vormen, een instrument met de hoogste resolutie in de hele astronomie. In april 2017 heeft de EHT-samenwerking verschillende nachten doorgebracht met het richten van dat virtuele instrument op Sagittarius A* en andere superzware zwarte gaten. We hebben het eerste eindproduct van die inspanning al gezien: M87*. Het team heeft tijdens dezelfde campagne ook de ruwe gegevens voor het beeld van Sagittarius A* verzameld, maar het omzetten van die waarnemingen in een echt beeld duurde veel langer.
Foto onder. Deze fotocollage toont de radiosterrenwachten die deel uitmaken van het netwerk van de Event Horizon Telescope (EHT), waarmee Sagittarius A*, het centrale zwarte gat van ons Melkwegstelsel, in beeld is gebracht. Hiertoe behoren de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), het Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), de IRAM 30-meter telescoop, de James Clark Maxwell Telescope (JCMT), de Large Millimeter Telescope (LMT), de Submillimeter Array (SMA), de Submillimeter Telescope (SMT) en de South Pole Telescope (SPT).
Dat komt omdat Sagittarius A* voortdurend verandert. M87*, het zwarte gat in het hart van het sterrenstelsel Messier 87, of M87, is zo groot dat de materie die eromheen draait vele uren nodig heeft om een volledige baan af te leggen. In de praktijk betekent dit dat je er lang naar kunt staren, en dat het nauwelijks zal veranderen. Sagittarius A* is meer dan 1.000 keer minder massief, dus verandert het ongeveer 1.000 keer sneller, doordat materie in strakkere, snellere banen rond het zwarte gat beweegt. Stel je voor dat je een time-lapse-foto maakt van een kogel - dat is niet eenvoudig. Daarom is het maken van een duidelijk beeld van Sagittarius A* uit de gegevens van de observatierun van 2017 het werk van meerdere jaren geweest.
Sagittarius A* is zo veranderlijk dat het moeilijk te zien is, maar het is ook een spannend laboratorium voor toekomstige studies naar zwarte gaten en Einsteins algemene relativiteitstheorie, zijn heilige theorie over de zwaartekracht. Door decennialang onderzoek te doen met allerlei telescopen, wisten astronomen al heel precies wat de basismetingen van Sagittarius A* waren (zijn massa, diameter en afstand tot de aarde). Nu hebben ze eindelijk de mogelijkheid gekregen om hem te zien evolueren - om te zien hoe hij zich voedt met flakkerende, flitsende stromen materie - in real time.
Een sluier van vele lagen
Wetenschappers begonnen in het begin van de jaren zestig te vermoeden dat er een zwart gat in het hart van de Melkweg schuilging, niet lang na de ontdekking van actieve galactische kernen - extreem heldere gebieden in de kernen van sommige sterrenstelsels die worden verlicht door vraatzuchtige superzware zwarte gaten. Vanuit ons perspectief hier op aarde zijn actieve galactische kernen iets uit het verleden - we zien ze alleen in het verre heelal. Waar zijn ze allemaal gebleven? In 1969 betoogde de Engelse astrofysicus Donald Lynden-Bell dat ze nergens heen gingen. In plaats daarvan, zei hij, gingen ze gewoon slapen na hun zware maaltijden - slapende superzware zwarte gaten, voorspelde hij, sluimeren overal om ons heen in de harten van spiraalvormige sterrenstelsels, inclusief dat van ons.
Foto onder. Op deze wereldkaart zijn de radiosterrenwachten aangegeven die het Event Horizon Telescope (EHT) netwerk vormen dat is gebruikt is om het centrale zwarte gat van ons Melkwegstelsel, Sagittarius A*, in beeld te brengen.
In 1974 richtten de Amerikaanse astronomen Bruce Balick en Robert Brown hun radiotelescopen in Green Bank op het centrum van de Melkweg en ontdekten een vage vlek waarvan zij vermoedden dat het het centrale zwarte gat van ons melkwegstelsel was. Ze vonden de vlek in een stuk van de hemel dat bekend staat als Sagittarius A. De straling van de nieuwe bron verlichtte de omringende waterstofwolken. Brown greep terug op de nomenclatuur van de atoomfysica, waarin geëxciteerde atomen worden aangeduid met een sterretje, en noemde het gevonden stipje Sagittarius A*.
In de daaropvolgende twee decennia bleven radioastronomen hun zicht op Sagittarius A* geleidelijk verbeteren, maar ze werden beperkt door een gebrek aan geschikte telescopen, relatief primitieve technologie (denk aan magneetband op spoelen) en de inherente moeilijkheid om in het galactische centrum te kijken.Sagittarius A* wordt verborgen door een meerlagige sluier. De eerste laag is het galactische vlak: 26.000 lichtjaar aan gas en stof dat zichtbaar licht tegenhoudt.
Radiogolven zeilen ongehinderd door de galactische vlakte, maar ze worden verduisterd door de tweede laag van de sluier - het verstrooiingsscherm, een turbulent stuk ruimte waar dichtheidsvariaties in het interstellaire medium radiogolven enigszins uit koers brengen. De laatste laag die Sagittarius A* verbergt, is de uitgewiste materie rond het zwarte gat zelf. Door die barrière heen kijken is een beetje als de huid van een ui afpellen. De buitenste lagen zenden licht uit met een langere golflengte, dus om VLBI te laten werken met licht met een kortere golflengte zou men dichter bij de waarnemingshorizon van het zwarte gat kunnen komen. Dat was echter een grote technologische uitdaging.
Astronomen die naast VLBI ook andere technieken gebruikten, hadden aanvankelijk meer succes en verzamelden gestaag indirect bewijs dat de ‘vlek’ van Sagittarius A* eigenlijk een ziedend superzwaar zwart gat was. In de jaren ’80 toonden natuurkundige Charles Townes en zijn collega's aan dat gaswolken in het galactisch centrum zich op een manier bewogen die alleen logisch was als ze onder invloed stonden van een grote, onzichtbare zwaartekracht uitoefenende massa. En in de jaren negentig begonnen Ghez en Genzel onafhankelijk van elkaar de banen van blauwe reuzensterren in het galactisch centrum te volgen, waarbij ze hun beweging rond een zwaar maar verborgen scharnierpunt in kaart brachten.
Ondertussen verbeterde de situatie voor radioastronomen. Aan het eind van de jaren negentig en het begin van de jaren 2000 kwam een nieuwe generatie radiotelescopen met een hoge frequentie online - telescopen die, als ze werden uitgebreid met veel op maat gemaakte apparatuur, konden werken op de microgolffrequenties waarvan gedacht werd dat ze schenen aan de rand van de schaduw van Sagittarius A*. Tegelijkertijd heeft de computerrevolutie die heeft geleid tot solid-state harde schijven en smartphones in elke broekzak, de hoeveelheid gegevens die elk observatorium in een netwerk van radiotelescopen kan registreren en verwerken, enorm doen toenemen.
In 2007 profiteerde een kleine voorloper van de EHT van deze trends en gebruikte een trio van telescopen in Hawaï, Californië en New Mexico om de sluier rond Sagittarius A* te doorboren. Ze maakten nog lang geen beeld, maar ze zagen wel iets.
Wetenschappers wisten al een tijdje dat een zwart gat, onder bepaalde omstandigheden, zichtbare schaduwen zou moeten werpen. In 1973 voorspelde de natuurkundige James Bardeen dat een zwart gat voor een heldere achtergrond zijn silhouet zou laten zien, hoewel hij besloot dat ‘er geen hoop lijkt te zijn om dit effect waar te nemen’. En in 2000 hadden de astrofysici Heino Falcke, Fulvio Melia en Eric Agol aangetoond dat een radiotelescoop ter grootte van de aarde, die microgolven verzamelt, in staat zou moeten zijn om de schaduw van Sagittarius A* te zien tegen de gloed van zijn omringende ring van versplinterde materie.
Een half decennium later waren enkele tientallen astronomen en astrofysici die zich met deze obscure tak van de astronomie bezighielden, het eens geworden over het formele doel om een radiotelescoop op planeetgrootte te bouwen om die schaduw waar te nemen. De eerste officiële startbijeenkomst voor het project vond plaats in januari 2012, en de EHT was geboren.
Vijf jaar later, na te zijn uitgegroeid tot een samenwerking van meer dan 200 wetenschappers met acht deelnemende observatoria over de hele wereld, deed het team zijn eerste realistische poging om de schaduw van Sagittarius A* te zien. In de loop van tien dagen in april 2017 zoomden telescopen in Noord-Amerika, Zuid-Amerika, Hawaï, Europa en Antarctica gezamenlijk in op het galactische centrum en andere zwarte gaten, waarbij 65 uur aan gegevens werd verzameld op 1.024 harde schijven van acht terabyte, die naar supercomputerbanken in Massachusetts en Duitsland werden verscheept om te worden gecorreleerd. Vijf jaar na dato hebben de EHT-onderzoekers de wereld laten zien dat hun experiment heeft gewerkt.
