De Event Horizon Telescope (EHT)-samenwerking heeft met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en andere faciliteiten testwaarnemingen gedaan waarbij de hoogste resolutie is bereikt die ooit vanaf het aardoppervlak is verkregen [1]. Ze hebben dit voor elkaar gekregen door licht van verre sterrenstelsels te detecteren op een frequentie van ongeveer 345 gigahertz, wat overeenkomt met een golflengte van 0,87 millimeter. De EHT-partners verwachten dat ze in de toekomst afbeeldingen van zwarte gaten kunnen maken die vijftig procent gedetailleerder zijn dan voorheen mogelijk was, waardoor het gebied net buiten de rand van nabije superzware zwarte gaten scherper in beeld kan worden gebracht.
Ook zullen ze meer zwarte gaten kunnen vastleggen dan ze tot nu toe hebben gedaan. De nieuwe waarnemingen, die deel uitmaken van een proefexperiment, zijn vandaag gepubliceerd in The Astronomical Journal. De EHT-samenwerking heeft in 2019 beelden vrijgegeven van M87*, het superzware zwarte gat in het centrum van het sterrenstelsel M87, en drie jaar later van Sgr A*, het zwarte gat in het hart van ons Melkwegstelsel. Deze beelden werden verkregen door diverse radiosterrenwachten, verspreid over de hele wereld, met elkaar te verbinden met behulp van een techniek die Very Long Baseline Interferometry (VLBI) wordt genoemd, om zo één virtuele telescoop ter grootte van de aarde te vormen.
Om beelden met een hogere resolutie te maken, kunnen astronomen grotere telescopen gebruiken of een VLBI-netwerk van telescopen die verder uit elkaar staan. Maar omdat de Event Horizon Telescope al zo groot was als de aarde, was er een andere aanpak nodig om de resolutie van waarnemingen vanaf de grond te verhogen. Een alternatieve manier om de resolutie van een telescoop te verbeteren is door licht met een kortere golflengte waar te nemen – en dat is wat de EHT-samenwerking nu heeft gedaan.
‘Met de EHT zagen we de eerste beelden van zwarte gaten met behulp van waarnemingen op een golflengte van 1,3 millimeter. Maar de daarbij vastgelegde heldere ring – bestaande uit licht dat door de zwaartekracht van het zwarte gat wordt afgebogen – zag er nog wazig uit, omdat we aan de absolute limiet zaten van hoe scherp we de beelden konden maken,’ aldus Alexander Raymond, co-leider van het onderzoek, voorheen postdoc aan het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) en nu aan het Jet Propulsion Laboratory, beide in de VS. ‘Op 0,87 millimeter zullen onze opnamen scherper zijn, waardoor waarschijnlijk nieuwe details aan het licht zullen komen – voorspelde, maar misschien ook wel onverwachte.’
Om aan te tonen dat detecties op 0,87 millimeter mogelijk zijn, heeft de EHT-samenwerking op deze golflengte testwaarnemingen gedaan van verre sterrenstelsels [2]. In plaats van de volledige EHT-array gebruikten ze daarbij twee kleinere sub-arrays, die beide zowel ALMA als het Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) in de Atacama-woestijn in Chili omvatten. De Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) is ALMA-partner en mede-huisvester en -beheerder van APEX. De overige faciliteiten die bij het proefexperiment zijn gebruikt, zijn de IRAM 30-meter telescoop in Spanje, de NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankrijk, de Greenland Telescope en de Submillimeter Array op Hawaï.
Met deze instrumenten heeft de EHT-samenwerking waarnemingen gedaan die details tot op 19 microboogesconden vertonen – de hoogste resolutie die ooit vanaf het aardoppervlak is bereikt. Maar hoewel licht van verschillende verre sterrenstelsels werd gedetecteerd, zijn er niet genoeg antennes gebruikt om nauwkeurige beelden uit de gegevens te kunnen destilleren.
De technische test heeft wel een nieuw venster geopend voor het onderzoek van zwarte gaten. Met de volledige array kan de EHT details zien tot wel 13 microboogseconden, wat overeenkomt met het vanaf de aarde waarnemen van een flessendop op de maan. Dit betekent dat op een golflengte van 0,87 millimeter beelden kunnen worden gemaakt met een resolutie die ongeveer vijftig procent hoger is dan die van de eedere vrijgegeven 1,3 mm-beelden van M87* en Sgr A*. Bovendien is het mogelijk om verder weg gelegen, kleinere en zwakkere zwarte gaten waar te nemen dan de twee die tot nu toe in beeld zijn gebracht. EHT oprichter en directeur Sheperd (‘Shep’) Doeleman, astrofysicus aan het CfA en co-leider van het onderzoek, zegt: ‘Door op verschillende golflengten te kijken naar veranderingen in het omringende gas kunnen we het mysterie oplossen van hoe zwarte gaten materie aantrekken en verzamelen, en hoe ze krachtige jets van galactische proporties kunnen produceren.’
Het is voor het eerst dat de VLBI-techniek met succes is toegepast op een golflengte van 0,87 millimeter. Hoewel het eerder al mogelijk was om de nachthemel op deze golflengte waar te nemen, bracht het gebruik van VLBI op deze golflengte altijd uitdagingen met zich mee waar technologische oplossingen voor moesten worden bedacht. Zo absorbeert de waterdamp in de aardatmosfeer lichtgolven op 0,87 millimeter veel sterker dan op 1,3 millimeter, waardoor het voor radiotelescopen moeilijker is om signalen van zwarte gaten op de kortere golflengte te ontvangen. In combinatie met de steeds grotere atmosferische turbulentie en ruis bij kortere golflengten, en het onvermogen om de weersomstandigheden tijdens atmosferisch gevoelige waarnemingen wereldwijd te beheersen, is de overgang naar kortere golflengten voor VLBI – vooral diegene die de barrière naar het submillimeter-regime overschrijden – traag verlopen. Met met deze nieuwe detecties is daar verandering in gekomen.
‘Deze VLBI-signaaldetecties op 0,87 millimeter zijn baanbrekend, omdat ze een nieuw waarnemingsvenster openen voor het onderzoek van superzware zwarte gaten’, zegt Thomas Krichbaum, co-auteur van de studie van het Max-Planck-Instituut voor Radioastronomie in Duitsland, een instituut dat samen met ESO de APEX-telescoop beheert. Hij voegt eraan toe: ‘In de toekomst zal de combinatie van de IRAM-telescopen in Spanje (IRAM-30m) en Frankrijk (NOEMA) met ALMA en APEX beeldvorming van nog kleinere en zwakkere emissie mogelijk maken dan tot nu toe op twee golflengten, 1,3 mm en 0,87 mm, tegelijkertijd mogelijk was.’
Noten
[1] Er zijn al astronomische waarnemingen gedaan met een hogere resolutie, maar die werden verkregen door signalen van telescopen op de grond te combineren met een telescoop in de ruimte. De nieuwe waarnemingen die vandaag zijn vrijgegeven, zijn de waarnemingen met de hoogste resolutie die ooit zijn gedaan met uitsluitend telescopen op de grond.
[2] Om hun waarnemingen te testen, heeft de EHT-samenwerking de antennes gericht op zeer verre 'actieve' sterrenstelsels, die worden aangedreven door superzware zwarte gaten in hun kern en zeer helder zijn. Dit soort bronnen helpt om de waarnemingen te kalibreren voordat de EHT op zwakkere bronnen wordt gericht, zoals nabije zwarte gaten.
Over de Event Horizon Telescope
Bij de EHT-samenwerking zijn meer dan 400 onderzoekers uit Afrika, Azië, Europa en Noord- en Zuid-Amerika betrokken. De internationale samenwerking werkt aan het vastleggen van de meest gedetailleerde beelden van zwarte gaten ooit door een denkbeeldige telescoop ter grootte van de aarde te creëren. Gesteund door aanzienlijke internationale investeringen verbindt de EHT bestaande telescopen met behulp van geavanceerde systemen en realiseert zo een fundamenteel nieuw instrument met het hoogste hoek-oplossend vermogen dat ooit is bereikt. Het EHT-consortium bestaat uit dertien belanghebbende instituten: het Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, de Universiteit van Arizona, het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, Universiteit van Chicago (VS), het East Asian Observatory (Hawaï), de Goethe-Universität Frankfurt (Duitsland), het Institut de Radioastronomie Millimétrique (Frankrijk), de Large Millimeter Telescope (Mexico), het Max-Planck-Institut für Radioastronomie (Duitsland), het MIT Haystack Observatory (VS), het National Astronomical Observatory of Japan, het Perimeter Institute for Theoretical Physics (Canada), de Radboud Universiteit en het Smithsonian Astrophysical Observatory (VS).
