Eerste foto van zwart gat: 'Vergelijkbaar met Columbus of maanlanding'

• Lambert Teuwissen en Francien Yntema

  Redacteur Online en redacteur Wetenschap

Wetenschappers debatteren al ruim een eeuw over zwarte gaten, maar tot nu toe had nog niemand er een gezien. Ze waren te ver weg, te klein, te zwart. Een internationaal team is er nu toch in geslaagd er een foto van te maken.

Op de foto, die tegelijkertijd op zes plekken op de wereld werd gepresenteerd, is het zwarte gat te zien als een lege ruimte omringd door lichtstralen die afbuigen door de extreme zwaartekracht ter plekke.

Te zien is het zogeheten supermassieve zwarte gat, midden in het sterrenstelsel Messier 87 (M87). Dat stelsel staat op een afstand van zo'n 55 miljoen lichtjaar van de aarde en is ongeveer 6,5 miljard keer zo zwaar als onze zon.

Hoe de wetenschappers erin slaagden de foto te maken, zie je in deze video:

Hoewel de foto nog vaag is en maar een paar pixels, zijn de makers enthousiast over hun fluffy donut. "Je kunt dit vergelijken met de maanlanding of de ontdekkingsreis van Columbus: voor het eerst zien we een nieuwe wereld, eentje die totaal anders is dan wat we gewend zijn", zegt een van de bedenkers van het project, hoogleraar radiosterrenkunde en astrodeeltjesfysica Heino Falcke van de Radboud Universiteit. "Tot nu toe was dit alles maar fantasie of wiskundige verbeelding. Nu wordt het echt."

"Het is ontzettend leuk dat theorie en praktijk nu bij elkaar komen", vindt theoretisch natuurkundige Marcel Vonk, die niet betrokken is bij het onderzoek. "In theorie kun je van alles bedenken, maar dat betekent nog niet dat het bestaat. Daar heb je experimenten en waarnemingen voor nodig."

Doordat zwarte gaten zo ver weg en relatief klein zijn en doordat er nauwelijks signalen uit hun directe omgeving ontsnappen, had het team een telescoop nodig ter grootte van de aarde. Dat wisten ze virtueel te bereiken door acht telescopen wereldwijd aan elkaar te koppelen, onder meer op Hawaï, de Zuidpool en in Chili en Spanje.

Met atoomklokken konden de meetgegevens uiterst precies op elkaar worden afgestemd. "Op die manier creëerden we een telescoop die zo gevoelig is dat je er vanuit Nijmegen een mosterdzaadje in New York mee zou kunnen zien", stelt Falcke.

Met de virtuele telescoop bekeek het team twee zwarte gaten die relatief dichtbij staan: Sagittarius A* in het centrum van onze Melkweg, en het enorme zwarte gat van sterrenstelsel Messier 87. Falcke: "Dat laatste staat duizend keer verder weg, maar doordat het gat ook duizend keer groter is, zijn de twee gaten aan de hemel ongeveer even groot."

Lastig te fotograferen

Het lukte het beste om een foto te maken van M87. "Het is heel lastig om het zwarte gat in onze Melkweg op de foto te zetten, doordat de materie daaromheen heel snel beweegt: de draaikolk draait in 20 minuten om zijn as. Vergelijk het met een kleuter die urenlang stil moet zitten om op de foto te gaan: dat gaat niet. Bij M87 draait de materie in twee dagen om het gat heen, dus dat is makkelijker te fotograferen", zegt Falcke.

Het team had in april 2017 tien dagen de tijd om de telescopen in te zetten. Falcke: "We hadden ontzettend geluk met het mooie weer. Vocht en wolken hadden de radiostraling tegengehouden die we wilden opvangen."

In vier nachten tijd haalden de wetenschappers vele petabytes aan gegevens binnen (1 petabyte is 1000 terabyte, of een toren van gestapelde cd-romschijven zonder doosje van 1,8 kilometer hoog). Uit die data distilleerden ze de afgelopen twee jaar de foto, een beeld gebaseerd op de radiostraling uit de omgeving van het zwarte gat. Het hele project kostte zeker 44 miljoen euro.

Vonk noemt het resultaat groot nieuws. "Het higgsdeeltje en de zwaartekrachtgolven waren het grootste nieuws van het afgelopen decennium, maar deze foto komt daar vrij snel achteraan. Hij staat in mijn persoonlijke top-10."

Behalve dat we nu eindelijk een direct beeld hebben van hoe een zwart gat zijn omgeving beïnvloedt, beslecht het onderzoek mogelijk ook een langlopend debat in de natuurkunde. Er wordt al decennia geprobeerd Einsteins algemene relativiteitstheorie te verenigen met de kwantummechanica.

Beide theorieën werken prima in hun eigen veld (relativiteit op kosmische schaal en kwantummechanica op het allerkleinste niveau), maar ze geven tegenstrijdige resultaten in extreme situaties, zoals bij een zwart gat.

Waarschijnlijk krijgt Einstein weer gelijk

"Waar al die massa van het zwarte gat blijft, weten we eerlijk gezegd niet", zegt Vonk. "Als je Einsteins theorie erbij pakt dan zou al die massa zich concentreren in één oneindig klein punt: een singulariteit. Probleem is alleen dat dat niet kan volgens een andere belangrijke natuurkundige theorie: de kwantummechanica. Hopelijk leren we daar in de komende jaren meer over, nu we zwarte gaten ook echt kunnen zien."

"Juist aan de rand van een zwart gat kunnen we de twee theorieën niet verenigen", zegt ook Falcke. "De vraag is dus: welke theorie kan beschrijven wat er op de waarnemingshorizon gebeurt? Moet een van de theorieën een beetje worden aangepast om dat te verklaren?"

Hoewel deze foto nog niet scherp genoeg is om conclusies te trekken, lijkt het erop dat Einstein weer gelijk krijgt. "Hij heeft heel precies voorspeld hoe de waarnemingshorizon eruitziet als je weet hoe groot en zwaar een zwart gat precies is. Probleem is alleen dat we nog een extra, onafhankelijke meting nodig hebben van het zwarte gat dat nu op de foto staat. En dit is nog maar de eerste stap, wie weet wat er gebeurt als we nog scherpere foto's maken."

Zwarte gaten zijn óók interessant voor sterrenkundigen en fysici omdat geen enkel ander object in het heelal zo nauw de situatie van de oerknal benadert. Een gedetailleerde foto van de rand van een zwart gat licht misschien een tipje van de sluier op, en geeft de kans om eerder gemaakte hypotheses over zwarte gaten (zoals van Stephen Hawking) uit te testen.

Achter de waarnemingshorizon

Falcke gaat ervan uit dat er in de toekomst duidelijkere afbeeldingen volgen. Daarvoor zijn de wetenschappers al bezig het telescoopnetwerk uit te breiden met punten in Afrika, op Groenland en mogelijk zelfs in de ruimte.

Overigens zullen ook betere foto's nooit de zwarte leemte in het midden van de foto kunnen invullen; dat blijft eeuwig verborgen achter de waarnemingshorizon. Falcke: "Verder dan die grens komen we niet. Je zou het wel te weten kunnen komen, maar dan nooit meer iemand kunnen vertellen. Als je eenmaal binnen bent, kom je nooit meer naar buiten."