Een tweede blik op het zwarte gat M87* – een nieuw beeld bevestigt Einsteins voorspellingen over de schaduwzone en de lichtring

Stabiele schaduw en dwalend licht: astronomen van het Event Horizon Project hebben opnieuw hun zinnen gezet op hun beroemde doelwit: het superzware zwarte gat M87*. Het doel was om te verifiëren of de schaduwzone en de lichtring zich gedroegen zoals Einstein had voorspeld. Het resultaat: de nieuwe afbeelding, gemaakt met meer telescopen en een grotere bandbreedte, bevestigt de theorieën van Einstein – en laat zien hoe de gloeiende ring van plasma rond de waarnemingshorizon is veranderd sinds de eerste afbeelding.

In 2017 richtten de gekoppelde radiotelescopen van het Event Horizon Network (EHT) zich voor het eerst op het centrum van het sterrenstelsel M87, 55 miljoen lichtjaar verwijderd. Het resultaat was de eerste afbeelding van een zwart gat in 2019. De afbeelding toonde de donkere centrale schaduw van de enorme zwaartekrachtreus, omringd door de heldere ring van licht van hete gassen die rond de waarnemingshorizon cirkelen. Daaropvolgende analyses van deze gegevens onthulden ook magnetische velden, de door Einstein voorspelde fotonenring en een lichte oscillatie aan de waarnemingshorizon.

Op het eerste gezicht lijken alle waargenomen kenmerken van het zwarte gat – inclusief de diameter en de enigszins asymmetrische helderheid van de lichtring – consistent te zijn met de voorspellingen van Einsteins relativiteitstheorie. Om het beeld te kunnen genereren moesten de ruwe gegevens van radiotelescopen echter worden verwerkt via een complex proces dat soms werd aangevuld met modelberekeningen. Bovendien kan geen enkele waarneming verklaren hoe de lichtring in de loop van de tijd verandert.

Een duidelijker beeld van de M87*

Dat is de reden waarom astronomen van het Event Horizon-project zich in april 2018 opnieuw op het zwarte gat richtten. “Herhaalde waarnemingen van M87* stellen ons in staat de kinematica te onderzoeken van materie die in het zwarte gat stroomt en de complexe fysica van de stralingsproductie te onderscheiden van de geometrische effecten van algemene relativiteit. . “Dit is een nieuwe stap in de richting van een beter begrip van zwarte gaten.”

Nog een pluspunt: de nieuwe waarnemingscampagne omvatte meer radiotelescopen, waaronder de Groenlandtelescoop voorbij de poolcirkel, en registreerde gegevens in vier frequentiebanden – twee keer zoveel als in de eerste afbeelding. Om uit de verzamelde data een beeld te genereren, werden beelden van verschillende telescopen en van meerdere dagen met elkaar vergeleken met behulp van speciale algoritmen.

De diameter komt overeen met Einstein en de eerste afbeelding

Nu hebben astronomen het resultaat gepubliceerd: de tweede afbeelding van de enorme reus M87*. Op het eerste gezicht verschilt het niet veel van de eerste opname: het toont een donkere centrale schaduw en een even grote, heldere lichtring. Maar dit is precies waar het om gaat: “Het nieuwe beeld bewijst dat de analyse waarop het eerste beeld van het zwarte gat was gebaseerd inderdaad correct en accuraat was”, legt Luciano Rizzola van de Goethe Universiteit in Frankfurt uit.

De nieuwe afbeelding bevestigt dat de optische ring van M87* een diameter van ongeveer 43 microboogseconden heeft. Dit komt overeen met eerdere metingen en is precies de grootte die door Einsteins relativiteitstheorie wordt voorspeld voor zo'n zwart gat met een massa van zes miljard zonsmassa's. “Op het gebied van de astrofysica van zwarte gaten is deze nieuwe afbeelding het bewijs van de persistentie en stabiliteit van de schaduw van M87*”, legt Michael Janssen van het MPI Instituut voor Radioastronomie uit.

Ring of Light toergebied

Maar wat ook interessant is, is wat er in de lichtring van M87* gebeurde. Het gebied met de grootste helderheid is sinds 2017 aanzienlijk van locatie veranderd. Uit radiogegevens blijkt dat het object ongeveer 30 graden tegen de klok in is bewogen vanaf zijn positie op de onderste “zuidpool” van de lichtring. “De voortreffelijke rotatie in de helderheidsasymmetrie geeft vertrouwen in ons huidige begrip van de accretiestroom”, zegt Janssen.

Volgens de huidige theorieën worden de asymmetrie en verschuiving van de helderheid veroorzaakt door het gedrag van hete gassen die versnellen rond de waarnemingshorizon. Dienovereenkomstig lijkt het gebied van de optische ring dat een stroom snelle deeltjes met hoge energie uitzendt helderder. Interacties tussen de stroming, de rotatie van het zwarte gat en de bewegingen van de materie in de ring leiden tot een geleidelijke verplaatsing van dit heldere gebied, zoals getheoretiseerd door een team onder leiding van Maciek Velgus van MPOI voor Radioastronomie in 2020.

“In ons werk kwamen we tot de conclusie dat M87* consistent als een ring zou moeten verschijnen, met weinig variatie in de diameter van de ring en een grotere variatie in de locatie van het helderheidsmaximum”, legt Wielgus uit. Dit is precies wat nieuwe opnames van M87* nu hebben bevestigd.

Alle voorspellingen zijn bevestigd

Het nieuwe beeld bevestigt daarmee zowel theoretische aannames over zwarte gaten als de nauwkeurigheid van het eerste beeld van het zwarte gat M87*. “Dit is een heel belangrijk resultaat voor de wetenschap”, zegt Rizzola. “Alle voorspellingen over het verschijnen van het zwarte gat M87* die we deden op basis van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein werden bevestigd door de tweede afbeelding van het zwarte gat M87*.”

Ondertussen bereiden astronomen van de Event Horizon-samenwerking al de volgende waarnemingscampagne voor, die in april 2024 zal plaatsvinden. Het zwarte gat M87* staat opnieuw op de lijst met doelobjecten. Elf telescopen en radioobservatoria over de hele wereld en meer dan 300 wetenschappers nemen nu deel aan het EHT-netwerk. (Astronomie en astrofysica, 2024; doi: 10.1051/0004-6361/202347932)

Bron: Max Planck Instituut voor Radioastronomie, Goethe Universiteit Frankfurt am Main

22 januari 2024 – Nadia Podbrigar