De Event Horizon Telescope (EHT) samenwerking, die de allereerste foto van een zwart gat maakte, heeft vandaag een nieuwe afbeelding van het massarijke object in het centrum van het sterrenstelsel M87 gepresenteerd. Ze toont hoe dit object er in gepolariseerd licht uitziet. Het is voor het eerst dat het astronomen is gelukt om polarisatie, een kenmerk van magnetische velden, zo dicht bij de rand van een zwart gat te meten. Aan de hand van deze waarnemingen hopen astronomen te kunnen verklaren hoe het 55 miljoen lichtjaar verre sterrenstelsel in staat is om energetische jets vanuit zijn kern te ‘lanceren’.
‘We hebben nu nieuw cruciaal bewijs gevonden dat ons helpt begrijpen hoe magnetische velden zich rond zware gaten gedragen, en hoe de activiteit in dit zeer compacte stukje ruimte krachtige jets kan aandrijven die zich tot ver buiten het sterrenstelsel uitstrekken,’ zegt Monika Mościbrodzka, coördinator van de Polarimetrie-werkgroep van de EHT en hoofddocent aan de Radboud Universiteit. Op 10 april 2019 presenteerden wetenschappers de allereerste foto van een zwart gat, waarop een heldere ringachtige structuur rond een donker centrum – de schaduw van het zwarte gat – te zien was. Sindsdien is de EHT-samenwerking dieper in de in 2017 verzamelde data van dit superzware zwarte gat in het hart van het sterrenstelsel M87 gedoken. Daarbij is ontdekt dat een aanzienlijke fractie van het licht rond dit zwarte gat gepolariseerd is. ‘Dit onderzoek is een belangrijke mijlpaal: de polarisatie van licht bevat informatie die meer inzicht geeft in de fysica achter de foto die we in april 2019 hebben gezien,’ aldus Iván Martí-Vidal, ook coördinator van de Polarimetrie-werkgroep van de EHT, en GenT Distinguished Researcher aan de Universiteit van Valencia, Spanje. ‘In deze nieuwe opname van gepolariseerd licht is jaren werk gaan zitten, door de complexiteit van de technieken die nodig waren om de data te verzamelen en te analyseren.’
Licht wordt gepolariseerd wanneer het door bepaalde filters gaat, zoals de glazen van een gepolariseerde zonnebril, of wanneer het wordt uitgezonden door hete gebieden in de ruimte die gemagnetiseerd zijn. Net zoals een gepolariseerde zonnebril ons beter laat zien door de weerkaatsingen en schitteringen van heldere oppervlakken te verminderen, kunnen astronomen hun zicht op de omgeving van een zwart gat verbeteren door te kijken hoe het daarvan afkomstige licht gepolariseerd is. Meer specifiek stelt polarisatie astronomen in staat om de magnetische veldlijnen langs de rand van het zwarte gat in kaart te brengen. ‘De nu gepubliceerde polarisatie-afbeeldingen zijn cruciaal voor ons begrip van hoe het magnetische veld het zwarte gat in staat stelt om materie ‘op te slokken’ en krachtige jets te lanceren,’ zegt Andrew Chael, lid van de EHT-samenwerking en NASA Hubble Fellow aan het Princeton Center for Theoretical Science en het Princeton Gravity Initiative in de VS. De heldere jets van energie en materie die aan de kern van M87 ontspringen, en zich tot op minstens 5000 lichtjaar van zijn kern uitstrekken, behoren tot de meest geheimzinnige en energetische kenmerken van het sterrenstelsel. De meeste materie die zich dicht bij de rand van een zwart gat bevindt, valt naar binnen. Maar sommige van de deeltjes in de omgeving weten op het nippertje te ontsnappen en worden in de vorm van jets ver de ruimte in geblazen.
Om dit proces beter te begrijpen, konden astronomen vertrouwen op verschillende modellen die beschrijven hoe materie zich in de omgeving van het zwarte gat gedraagt. Maar ze weten nog steeds niet precies hoe jets groter dan het sterrenstelsel zelf kunnen worden gelanceerd vanuit een centraal gebied dat kleiner is dan ons zonnestelsel, en ook niet hoe materie precies in het zwarte gat valt. Met de nieuwe EHT-opname van het zwarte gat en diens schaduw in gepolariseerd licht zijn astronomen er voor het eerst in geslaagd om het gebied vlak buiten het zwarte gat te bekijken, waar deze interactie tussen naar binnen stromende en naar buiten geblazen materie zich afspeelt. De waarnemingen verschaffen nieuwe informatie over de structuur van de magnetische velden net buiten het zwarte gat. Het team heeft ontdekt dat alleen theoretische modellen waarin een belangrijke rol is weggelegd voor sterk gemagnetiseerd gas kunnen verklaren wat zij aan de waarnemingshorizon zien gebeuren.
‘De waarnemingen suggereren dat de magnetische velden aan de rand van het zwarte gat sterk genoeg zijn om het hete gas terug te duwen en het helpt om de zwaartekracht te weerstaan. Alleen gas dat door het veld heen glipt kan naar de waarnemingshorizon toe spiralen,’ verklaart Jason Dexter, hoofddocent aan de Universiteit van Colorado te Boulder (VS) en coördinator van de Theorie-werkgroep van de EHT. Om het hart van het sterrenstelsel M87 waar te nemen, heeft de EHT-samenwerkiing acht telescopen verspreid over de wereld met elkaar verbonden – waaronder de in het noorden van Chili gestationeerde Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en het Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), waarin de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO) partner is – om zo een virtuele telescoop ter grootte van de aarde te creëren: de EHT. Met de indrukwekkende resolutie die met de EHT wordt verkregen, zou je de lengte kunnen meten van een creditcard die op het oppervlak van de maan ligt.
‘Met ALMA en APEX, die door hun zuidelijke locatie de beeldkwaliteit verbeteren door het EHT-netwerk over een groter geografisch gebied uit te spreiden, konden Europese wetenschappers een centrale rol spelen in het onderzoek’, zegt Francisca Kemper, Europees ALMA-programmawetenschapper bij ESO. ‘Met zijn 66 antennes domineert ALMA de algehele signaal-verzameling in gepolariseerd licht, terwijl APEX essentieel was voor de kalibratie van de opname.’ ‘De ALMA-data waren ook cruciaal voor het kalibreren, in beeld brengen en interpreteren van de EHT-waarnemingen, door stringente restricties op te leggen aan de theoretische modellen die verklaren hoe materie zich in de omgeving van de waarnemingshorizon van het zwarte gat gedraagt,’ voegt Ciriaco Goddi, wetenschapper aan de Radboud Universiteit en de Sterrewacht Leiden, daaraan toe. Goddi gaf leiding aan een begeleidend onderzoek dat volledig op ALMA-gegevens was gebaseerd.
De EHT-opzet stelde het team in staat om de schaduw van het zwart gat en de ring van licht daaromheen rechtstreeks waar te nemen, terwijl de nieuwe opname van gepolariseerd licht duidelijk laat zien dat de ring gemagnetiseerd is. De resultaten worden vandaag in twee afzonderlijke artikelen in de Astrophysical Journal Letters door de EHT-samenwerking gepubliceerd. Bij het onderzoek waren meer dan driehonderd wetenschappers van tal van organisaties en universiteiten van over de hele wereld betrokken. ‘Dankzij technologische upgrades van het netwerk en de toevoeging van nieuwe telescopen boekt de EHT snelle vooruitgang. We verwachten dat toekomstige EHT-waarnemingen de magnetische veldstructuur rond het zwarte gat nauwkeuriger zullen tonen en ons meer zullen vertellen over de fysica van het hete gas in dit gebied’, concludeert Jongho Park, lid van de EHT-samenwerking en East Asian Core Observatories Association Fellow aan de Academia Sinica, het Instituut voor Astronomie en Astrofysica in Taipei.
Meer informatie
De resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in twee artikelen die vandaag in The Astrophysical Journal zijn gepubliceerd: ‘First M87 Event Horizon Telescope Results VII: Polarization of the Ring’ en ‘First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon’. De resultaten van het begeleidende onderzoek zullen verschijnen in het artikel ‘Polarimetric properties of Event Horizon Telescope targets from ALMA’ van Goddi, Martí-Vidal, Messias en de EHT-samenwerking, dat is geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal Letters.
Bij de EHT-samenwerking zijn meer dan driehonderd onderzoekers uit Afrika, Azië, Europa en Noord- en Zuid-Amerika betrokken. Het internationale project is bezig om de meest detailrijke opnamen van zwarte gaten te maken die ooit met een virtuele telescoop ter grootte van de aarde zijn verkregen. Gesteund door een aanzienlijke internationale investering, verbindt de EHT bestaande telescopen met behulp van baanbrekende systemen. Zo ontstaat een fundamenteel nieuw instrument met het hoogste hoek-oplossend vermogen dat ooit is bereikt.
De afzonderlijke telescopen die deelnemen zijn: ALMA, APEX, de IRAM 30-meter Telescope, de IRAM NOEMA Observatory, de James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), de Large Millimeter Telescope (LMT), de Submillimeter Array (SMA), de Submillimeter Telescope (SMT), de South Pole Telescope (SPT), de Kitt Peak Telescope en de Greenland Telescope (GLT).
Het EHT-consortium bestaat uit dertien belanghebbende instituten: de Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, de University of Arizona, de University of Chicago, de East Asian Observatory, de Goethe-Universität Frankfurt, het Institut de Radioastronomie Millimétrique, de Large Millimeter Telescope, het Max-Planck-Institut für Radioastronomie, het MIT Haystack Observatory, het National Astronomical Observatory of Japan, het Perimeter Institute for Theoretical Physics, de Radboud Universiteit en het Smithsonian Astrophysical Observatory.
ESO is de belangrijkste intergouvernementele astronomische organisatie in Europa en verreweg de meest productieve sterrenwacht ter wereld. Zij wordt ondersteund door zestien lidstaten: België, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Ierland, Italië, Nederland, Oostenrijk, Polen, Portugal, Spanje, Tsjechië, het Verenigd Koninkrijk, Zweden en Zwitserland, en door gastland Chili, met Australië als strategische partner. ESO voert een ambitieus programma uit, gericht op het ontwerpen, bouwen en beheren van grote sterrenwachten die astronomen in staat stellen om belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen te doen. Ook speelt ESO een leidende rol bij het bevorderen en organiseren van samenwerking op astronomisch gebied. ESO beheert drie waarnemingslocaties van wereldklasse in Chili: La Silla, Paranal en Chajnantor. Op Paranal staan ESO’s Very Large Telescope (VLT) en haar toonaangevende Very Large Telescope Interferometer, evenals twee surveytelescopen – VISTA, die in het infrarood werkt, en de op zichtbare golflengten opererende VLT Survey Telescope. Ook op Paranal zal ESO onderkomen bieden aan en het beheer voeren over de Cherenkov Telescope Array South, ’s werelds grootste en meest gevoelige observatorium van gammastraling. ESO speelt tevens een belangrijke partnerrol bij twee faciliteiten op Chajnantor, APEX en ALMA, het grootste astronomische project van dit moment. En op Cerro Armazones, nabij Paranal, bouwt ESO de 39-meter Extremely Large Telescope, de ELT, die ‘het grootste oog op de hemel’ ter wereld zal worden.
De Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), een internationale astronomische faciliteit, is een samenwerkingsverband van ESO, de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en de National Institutes of Natural Sciences (NINS) van Japan, in samenwerking met de Republiek Chili. ALMA wordt gefinancierd door ESO (namens haar lidstaten), door de NSF in samenwerking met de National Research Council of Canada (NRC) en de National Science Council of Taiwan (NSC), en door NINS in samenwerking met de Academia Sinica (AS) in Taiwan en het Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI). De bouw en het beheer van ALMA worden geleid door ESO (namens haar lidstaten); door het National Radio Astronomy Observatory (NRAO), dat namens Noord-Amerika wordt bestuurd door de Associated Universities, Inc. (AUI), en namens Oost-Azië door het National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). De overkoepelende leiding en het toezicht op bouw, ingebruikname en beheer van ALMA is in handen van het Joint ALMA Observatory (JAO).
De BlackHoleCam-onderzoeksgroep is in 2013 beloond met de Synergy Grant van de Europese Onderzoeksraad, ten bedrage van 14 miljoen euro. De hoofdonderzoekers zijn Heino Falcke, Luciano Rezzolla en Michael Kramer. De partnerinstituten zijn JIVE, IRAM, MPE Garching, IRA/INAF Bologna, SKA en ESO. BlackHoleCam maakt deel uit van de Event Horizon Telescope-samenwerking.
Bron: ESO
