Toen hij in 2000 het idee formuleerde om het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg in beeld te brengen, dacht hij dat die klus binnen enkele jaren wel geklaard zou zijn. Uiteindelijk deden Heino Falcke en zijn collega-radioastronomen er met hun Event Horizon Telescope twintig jaar over. Toch is hij zwarte gaten nog niet beu. ‘We werken nu aan filmpjes die de dynamica van zwarte gaten tonen.’
Vooruitgang in de astronomie heeft altijd sterk samengehangen met betere waarnemingen. Hoe scherper onze blik op de kosmos werd, van de planeten in ons zonnestelsel tot sterrenstelsels heel ver weg, hoe meer details astronomen konden ontwaren en hoe beter ze het heelal konden doorgronden. ‘Het draait allemaal om resolutie’, had Galileo Galilei kunnen zeggen toen hij begin zeventiende eeuw met zijn zelfgemaakte telescoop ontdekte dat er bergen zijn op de maan en dat de Melkweg uit ontelbaar veel sterren bestaat.
Sindsdien is de resolutie van ruimtebeelden onverlet blijven toenemen, en die ontwikkeling gaat vandaag gewoon door. Het is allang niet meer alleen in het zichtbare lichtspectrum dat astronomen met steeds scherpere blik kijken. Anderhalf jaar geleden fotografeerde de James Webb-telescoop Neptunus in het infrarood. De foto’s tonen niet alleen haarscherp de ringen rond de planeet, maar ook ijswolken die in de atmosfeer van de gasreus ronddrijven. En eind vorig jaar leverde Euclid, een andere ruimtetelescoop, zijn eerste beelden af. Daarop zijn honderdduizenden sterrenstelsels te zien.
Maar voor een van de strafste exploten in de hogeresolutiefotografie van de kosmos moeten we naar het domein van de radioastronomie, waarin met schotelantennes dag en nacht langgolvige straling uit de ruimte wordt opgepikt. Het is alweer vijf jaar geleden dat de wereld kennismaakte met de eerste foto van een zwart gat. Op 10 april 2019 werd onder grote publieke belangstelling het kiekje van M87* onthuld, een superzwaar zwart gat dat meer dan 5 miljard keer zo zwaar is als de zon en zich op zo’n 53 miljoen lichtjaar van de aarde bevindt.
Net als bij een portretfoto van een mens is het ook bij zwarte gaten noodzakelijk dat je object lang genoeg stil blijft zitten
De kolos ligt in het gelijknamige sterrenstelsel (Messier 87 of M87), waarvan hij het hart vormt. Op de veelbekeken foto – meer dan de helft van alle mensen op aarde zou hem intussen hebben gezien – is de schaduw te zien die de zogeheten waarnemingshorizon van het zwarte gat werpt op het licht en de straling van de gloeiende materie die er in een ring omheen beweegt. Binnen de waarnemingshorizon ontsnapt niets, ook licht niet, aan de enorme zwaartekracht van het zwarte gat. Bij M87* gaat het om een zone die veel groter is dan ons zonnestelsel.
Het zwarte gat werd gefotografeerd met de zogenoemde Event Horizon Telescope (EHT). Dat is een virtuele telescoop, gevormd door waarnemingen van acht echte radiotelescopen over de hele wereld te combineren. Zo ontstaat een virtuele schotelantenne zo groot als de aarde, met voldoende onderscheidend vermogen om uit de radiogolven afkomstig van M87* een min of meer scherp beeld van zijn waarnemingshorizon te kunnen samenstellen.
Drie jaar na het historische moment van de eerste foto kwam het team radioastronomen achter de EHT opnieuw met een beeld van een zwart gat, dit keer van het superzware exemplaar dat zich in het centrum van ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg, schuilhoudt. Sagittarius A*, zoals ‘ons’ superzwaar zwart gat heet, is een pak kleiner en lichter dan M87*: het is ‘slechts’ 4 miljoen keer zo zwaar als de zon, maar ligt op amper 26.000 lichtjaar van ons verwijderd.
Al in 2000 had de Duitse radioastronoom Heino Falcke, een van de initiatiefnemers en leiders van de EHT-samenwerking, het idee om de waarnemingshorizon van Sagittarius A* te fotograferen, door verschillende radiotelescopen te combineren. In het vakartikel waarin hij dat idee uiteenzette, schreef hij dat het ‘binnen enkele jaren mogelijk moest zijn’. Toch duurde het uiteindelijk bijna twintig jaar vooraleer zwarte gaten zich lieten fotograferen. En toen het zover was, was het niet Sagittarius A* die de primeur kreeg, maar wel M87*.
‘We hebben beide zwarte gaten nochtans in dezelfde periode geobserveerd, in april 2017’, zegt Falcke. ‘Maar doordat het veel groter is, is M87* stukken stabieler. En net als bij een portretfoto van een mens is het ook bij zwarte gaten noodzakelijk dat je object lang genoeg stil blijft zitten. M87* varieert op een schaal van dagen, Sagittarius A* op een schaal van minuten. Het lag dus voor de hand dat we eerst de foto van M87* zouden ontwikkelen. Voor Sagittarius A* hadden we wat meer tijd nodig.’
Eos sprak met Heino Falcke in de Zwitserse hoofdstad Bern, waar hij half november de Balzanprijs in ontvangst nam, een wetenschappelijke onderscheiding die vaak wordt gezien als de Italiaans-Zwitserse Nobelprijs. Ook qua prijzengeld kan de Balzanprijs wedijveren met de echte Nobelprijs – bovendien hoeven de laureaten het bedrag niet te delen, ze moeten alleen de helft ervan aan onderzoek spenderen. Falcke kreeg de onderscheiding voor zijn werk rond ‘hogeresolutiebeelden van kosmische objecten’.
Doordat het de primeur kreeg is het vooral het beeld van M87* en niet van Sagittarius A* dat op ons netvlies gebrand staat. Kreeg een obscuur zwart gat zo niet onterecht veel aandacht, in de plaats van het centrale zwarte gat van de Melkweg?
‘M87* is wel degelijk bijzonder, hoor. Het is het grootste zwarte gat in onze kosmische omgeving. Met 53 miljoen lichtjaar ligt het niet zo heel ver weg, vanuit kosmisch perspectief. Vanuit ons oogpunt lijkt M87* trouwens heel sterk op Sagittarius A*. Het is stukken zwaarder en groter, maar zijn grotere afstand compenseert daarvoor. Aan onze hemel lijken beide zwarte gaten daardoor ongeveer even groot.’
Er liggen toch nog andere zwarte gaten veel dichter bij de aarde? Er zou er al een zijn op slechts duizend lichtjaar. Konden jullie dat niet fotograferen?
‘Die zwarte gaten zijn veel lichter en kleiner, hooguit enkele tientallen zonmassa’s zwaar. Er zijn er wellicht honderden miljoenen van in de Melkweg, ze ontstaan als zware sterren opbranden en imploderen. Maar ze zijn te klein en te donker – er beweegt niet genoeg gloeiende materie omheen – om ze voorlopig te kunnen waarnemen.’
‘We hadden echt een superzwaar zwart gat nodig, en hoe zwaarder en groter het was, hoe beter. In het sterrenstelsel M87 vonden we dat. Dat stelsel is niet spiraalvormig zoals de Melkweg, maar ellipsvormig. En van elliptische sterrenstelsels weten we dat ze zwaardere en grotere zwarte gaten in hun centrum hebben. Hoe zulke superzware zwarte gaten zijn ontstaan, is overigens nog niet geweten. Begonnen ze al als een groot zwart gat? Of zijn ze het resultaat van samensmeltingen van vele kleine zwarte gaten? In ieder geval is het niet toevallig dat ze juist in het centrum van sterrenstelsels liggen, want daar is de voedingsbodem voor een zwart gat, door de hoge concentratie aan sterren en materie in het algemeen, het grootst.’
De foto van Sagittarius A* dateert inmiddels ook al van mei 2022. Waar zijn jullie met het EHT-team momenteel mee bezig?
‘Nu we foto’s hebben van een zwart gat, willen we ook filmpjes maken. Eigenlijk kun je zo’n filmpje zien als een gif-animatie, waarbij je in een korte opeenvolging van beelden verandering ziet, bijvoorbeeld in de materie die rond het zwarte gat beweegt. Bij Sagittarius A* is dat een kwestie van minuten, waardoor we beelden gemaakt tijdens eenzelfde waarnemingscampagne kunnen gebruiken. Bij M87* gaat het om dagen, en dan moet je al veel geluk hebben met het weer. Vergeet niet dat we observeren vanuit acht verschillende radiotelescopen, verspreid over de hele wereld.’
Falcke (°1966) is hoogleraar radioastronomie en astrofysica aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Tijdens zijn doctoraatsonderzoek aan de universiteit van Bonn bestudeerde hij actieve kernen van sterrenstelsels. Daarna werkt hij in de West-Duitse stad een tijdje aan het daar gevestigde Max Planck Instituut voor Radio Astronomie.
In 2003 verkaste Falcke naar Nederland. Begin deze eeuw was hij ook een van de initiatiefnemers van de samenwerking rond de Event Horizon Telescope (EHT), een project waarin met een wereldwijd netwerk van radiotelescopen één virtuele telescoop wordt gecreëerd met een denkbeeldige schotelantenne zo groot als de aarde. In 2019 behaalde de EHT-samenwerking een primeur met haar publicatie van de eerste foto van een zwart gat.
Falcke was in 2023 een van de laureaten van de Balzanprijs. Hij kreeg de prestigieuze Italiaans-Zwitserse onderscheiding voor zijn baanbrekende werk rond het in beeld brengen van zwarte gaten en voor zijn leidende rol in de EHT-samenwerking. Het prijzengeld bedraagt 780.000 euro, waarvan de helft moet worden besteed aan onderzoeksprojecten met jonge wetenschappers.
‘We willen ook verschillende waarnemingen over langere periodes vergelijken. Zo kunnen we nagaan hoe stabiel een zwart gat over de jaren heen blijft. Wordt de gloeiende materiering bijvoorbeeld kleiner of groter?’
Jullie team wordt ook groter. De EHT zou worden uitgebreid met een negende telescoop.
‘Klopt. We willen een gloednieuwe radiotelescoop bouwen in Namibië (op de Gamsberg, een van de hoogste toppen van het land, red.). Zo willen we Afrika integreren in ons telescopennetwerk, want op dat continent hebben we momenteel nog geen telescoop. Terwijl we er wel een hebben in Antarctica. Voor een betere dekking is Afrika dus echt nodig. Het zal onze waarnemingen meer doorlopend maken, wat ons ook zal helpen bij het maken van zwartegatenfilmpjes. Het geld van deze Balzanprijs zal ik trouwens gebruiken om jonge astronomen in Namibië te ondersteunen.’
De foto’s van M87* en Sagittarius A* zijn natuurlijk prachtig. Maar wat hebben astronomen als u er eigenlijk uit geleerd?
‘Het belangrijkste is dat we nu zeker weten dat superzware zwarte gaten bestaan. Er was voorspeld dat ze centraal in sterrenstelsels zouden liggen, en de foto’s zijn het eerste directe bewijs. Eveneens tonen ze aan dat er inderdaad zoiets bestaat als een waarnemingshorizon, waar voorbij zelfs licht niet meer aan de zwaartekracht van het zwart gat kan ontsnappen. Dat was door Einstein voorspeld in zijn algemene relativiteitstheorie, maar nooit rechtstreeks waargenomen.’
‘We willen een gloednieuwe radiotelescoop bouwen in Namibië. Voor een betere dekking is Afrika echt nodig’
‘Ook vanuit astrofysisch oogpunt kunnen we veel opsteken. We kunnen de energiehuishouding rond een superzwaar zwart gat in kaart brengen, met de gloeiende materie errond maar ook met de jets, immense bundels van straling en materie die vanuit de polen van het zwarte gat vertrekken en vele lichtjaren ver het heelal inschieten.’
We kunnen dankzij de foto’s van de EHT niet alleen naar zwarte gaten kijken, via hun zwaartekrachtgolven kunnen we er ook naar luisteren. Kunnen beeld en geluid ook samengevoegd worden?
‘Dat is lastig. De zwaartekrachtgolven die nu worden geregistreerd door detectoren zoals Ligo en Virgo (respectievelijk in de Verenigde Staten en Italië, red.) zijn rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt doordat twee zwarte gaten of neutronensterren samengesmolten zijn. Het gaat hierbij echter om ‘gewone’ zwarte gaten, niet om superzware, en die kunnen we voorlopig niet fotograferen met de EHT. De superzware zwarte gaten die we wel kunnen zien, produceren dan weer geen meetbare, ‘hoorbare’ zwaartekrachtgolven.’
‘Het zou geweldig zijn om ooit een samensmelting van twee superzware zwarte gaten te kunnen zien. Dat zou een waar kroonjuweel zijn’
‘Maar in principe moet het mogelijk zijn om een fusie van twee superzware zwarte gaten, bijvoorbeeld als sluitstuk van de fusie van twee sterrenstelsels, met beide technieken te kunnen waarnemen. Wellicht moeten we hiervoor naar de ruimte, zowel voor de zwaartekrachtdetectoren als onze radiotelescopen. Daar kunnen we de resolutie van beeld en geluid nog veel meer verhogen. Zo’n dubbele waarneming van een samensmelting van twee superzware zwarte gaten zou in ieder geval een waar kroonjuweel zijn voor de hele astronomiewereld.’
Dit artikel verscheen in februari 2024 in Eos Wetenschap.
