Voor het eerst hebben astronomen in één keer de schaduw van het zwarte gat in het sterrenstelsel Messier 87 (M87) en de krachtige jet die dit zwarte gat uitstoot waargenomen. De waarnemingen zijn in 2018 gedaan met telescopen van de Global Millimetre VLBI Array (GMVA), de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), waarvan ESO partner is, en de Greenland Telescope (GLT).
Dankzij deze nieuwe foto kunnen astronomen beter begrijpen hoe zwarte gaten zulke energierijke jets kunnen ‘lanceren’. De meeste sterrenstelsels hebben een superzwaar zwart gat in hun centrum. Hoewel zwarte gaten erom bekend staan dat ze materie uit hun directe omgeving opslokken, kunnen zij ook krachtige jets uitstoten die tot ver buiten de grenzen van hun sterrenstelsels reiken. Astronomen worstelen al geruime tijd met de vraag hoe zulke enorme jets kunnen ontstaan. ‘We weten dat jets dicht in de buurt van zwarte gaten ontstaan,’ zegt Ru-Sen Lu van de sterrenwacht van Shanghai (China). ‘Maar we begrijpen nog steeds niet precies hoe dit gebeurt. Om dit rechtstreeks te kunnen onderzoeken, moeten we de jet zo dicht mogelijk bij het zwarte gat waarnemen.’
De vandaag gepubliceerde foto laat voor het eerst zien hoe de basis van een jet verbonden is met de materie die rond een superzwaar zwart gat wervelt. Het onderwerp van de foto is het 55 miljoen lichtjaar verre sterrenstelsel M87, dat een zwart gat in zijn kern heeft dat 6,5 miljard keer zoveel massa heeft als de zon. Het gebied rond dit zwarte gat en diens jet waren eerder al afzonderlijk waargenomen, maar dit is voor het eerst dat ze samen tegelijk in beeld zijn gebracht. ‘Deze nieuwe foto maakt het plaatje compleet door de omgeving van het zwarte gat en de jet tegelijkertijd vast te leggen,’ aldus Jae-Young Kim van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Duitsland daaraan toe.
De foto is verkregen met GMVA, ALMA en de GLT, die samen een wereldwijd netwerk van radiotelescopen vormen en zo een radiotelescoop ter grootte van de aarde nabootsen. Zo’n groot netwerk kan zeer kleine details onderscheiden in het gebied rond het zwarte gat in het centrum van M87.
Op de foto is niet alleen de jet te zien die bij het zwarte gat ontstaat, maar ook de zogeheten schaduw van het zwarte gat. Materie die om een zwart gat cirkelt wordt heet en straalt licht uit. Het zwarte gat buigt dit licht af en vangt een deel ervan in, waardoor vanaf de aarde gezien een ringvormige structuur rond het zwarte gat ontstaat. Het donkere gebied binnen de ring is de schaduw van het zwarte gat, zoals die in 2017 voor het eerst in beeld werd gebracht met de Event Horizon Telescope (EHT). Net als de eerdere EHT-opname combineert de vandaag gepresenteerde foto gegevens van meerdere radiotelescopen die verspreid over de wereld staan opgesteld, maar dan op een langere golflengte: 3,5 millimeter in plaats van 1,3 mm. ‘Op deze golflengte kunnen we zien hoe de jet ontspringt aan de ring van emissie rond het centrale superzware zwarte gat,’ zegt Thomas Krichbaum van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie.
De ring die door het GMVA-netwerk is vastgelegd, is in vergelijking met de foto van de Event Horizon Telescope ongeveer de helft groter. ‘Om de fysische oorsprong van de grotere en dikkere ring te begrijpen, moesten we computersimulaties gebruiken om verschillende scenario’s te testen,’ legt Keiichi Asada van de Academia Sinica in Taiwan uit. De resultaten wijzen erop dat de nieuwe foto meer materiaal laat zien dat naar het zwarte gat toe valt dan wat met de EHT waarneembaar was.
Deze nieuwe waarnemingen van het zwarte gat in M87 werden in 2018 gedaan met de GMVA, die uit veertien radiotelescopen in Europa en Noord-Amerika bestaat [1]. Daarnaast werden nog twee andere faciliteiten aan de GMVA gekoppeld: de Greenland Telescope en ALMA, waarvan ESO partner is. ALMA bestaat uit 66 antennes in de Chileense Atacama-woestijn en speelde een sleutelrol bij deze waarnemingen. De gegevens die met al deze verspreid opgestelde telescopen zijn verzameld, werden vervolgens gecombineerd met behulp van zogeheten interferometrie – een techniek waarbij de signalen van alle deelnemende faciliteiten met elkaar worden gesynchroniseerd. Om de werkelijke vorm van een hemelobject goed vast te leggen, is het van belang dat de telescopen over de hele aarde zijn verspreid. Omdat de GMVA-telescopen vooral in de oost-west-richting staan opgesteld, speelde ALMA – die op het zuidelijk halfrond staat – bij het maken van deze foto van de jet en de schaduw van het zwarte gat een cruciale rol. ‘Dankzij de locatie en gevoeligheid van ALMA konden we de schaduw van het zwarte gat zichtbaar maken en tegelijkertijd dichter bij de bron van de jet komen,’ legt Lu uit.
Toekomstige waarnemingen met dit netwerk van telescopen zullen verder ontrafelen hoe superzware zwarte gaten krachtige jets kunnen uitstoten. ‘We zijn van plan het gebied rond het zwarte gat in het centrum van M87 op verschillende radiogolflengten te observeren, om het ontstaan van de jet nader te bestuderen,’ zegt Eduardo Ros van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Zulke gelijktijdige waarnemingen zouden het team in staat stellen de ingewikkelde processen in de buurt van het superzware zwarte gat te ontrafelen. ‘De komende jaren worden spannend, omdat we dan meer te weten kunnen komen over wat er gebeurt in de buurt van een van de meest mysterieuze gebieden in het heelal,’ besluit Ros.
Noten
[1] Het Koreaanse VLBI-netwerk maakt inmiddels ook deel uit van de GMVA, maar heeft niet deelgenomen aan de hier gepresenteerde waarnemingen.
Bron: ESO
