Nieuwe EHT-beelden onthullen onverwachte polarisatieomkeringen bij zwart gat M87*
De Event Horizon Telescope heeft bij waarnemingen over
meerdere jaren veranderende polarisatiepatronen gezien bij een superzwaar zwart
gat. Ook kon de telescoop de richting van een smalle straal deeltjes die met de
snelheid van het licht uit de rand van het gat schiet, beter bestuderen.
De Event Horizon Telescope (EHT)-samenwerking heeft nieuwe, gedetailleerde beelden onthuld van het superzware zwarte gat in het centrum van sterrenstelsel M87. De beelden laten een dynamische omgeving met veranderende polarisatiepatronen – de richting waarin magnetische golven rondom een zwart gat zich bewegen – in de buurt van het zwarte gat zien. Bovendien hebben de onderzoekers de eerste tekenen gevonden van de basis van de straal deeltjes die uit de rand van het gat schiet. Ze zagen dat die straal in verbinding staat met de ring rond het zwarte gat. Deze nieuwe waarnemingen, die vandaag zijn gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics, bieden inzicht in hoe materie en energie zich gedragen in de extreme omgevingen rond zwarte gaten.
Magnetische velden
M87 ligt op ongeveer 55 miljoen lichtjaar van de aarde en
bevat een superzwaar zwart gat dat meer dan zes miljard keer zo zwaar is als de
zon. De EHT, een wereldwijd netwerk van radiotelescopen dat samen een
observatorium ter grootte van de aarde vormt, legde in 2019 voor het eerst het
iconische beeld van de schaduw van het zwarte gat van M87 vast, en voegde daar
in 2021 polarisatie aan toe. Door observaties uit 2017, 2018 en 2021 te
vergelijken, hebben wetenschappers nu een volgende stap gezet in het begrijpen
van hoe magnetische velden in de buurt van het zwarte gat in de loop van de
tijd veranderen.
Niet statisch
‘Opmerkelijk is dat de ringgrootte door de jaren heen
consistent is gebleven – wat Einsteins theorie bevestigt – , terwijl het
polarisatiepatroon verandert’, zegt Paul Tiede, astronoom bij Harvard &
Smithsonian. ‘Dit vertelt ons dat het gemagnetiseerde plasma dat rond het
zwarte gat wervelt niet statisch is; het is dynamisch en complex, waardoor onze
theoretische modellen tot het uiterste worden gedreven.’
Michael Janssen van de Radboud Universiteit voegt toe: ‘Jaar
na jaar verbeteren we de EHT met extra telescopen en verbeterde instrumenten,
nieuwe ideeën voor wetenschappelijk onderzoek en nieuwe algoritmen om meer uit
de gegevens te halen. Voor deze studie hebben al deze factoren bijgedragen aan
nieuwe wetenschappelijke resultaten en nieuwe vragen, die ons nog vele jaren
bezig zullen houden.’
Omdraaien
Tussen 2017 en 2021 keerde het polarisatiepatroon om: in
2017 leken de magnetische velden in één richting te draaien, in 2018
stabiliseerden ze zich en in 2021 keerden ze om en draaiden ze in de
tegenovergestelde richting. De effecten van hoe deze polarisatie in de loop van
de tijd verandert, duiden op een evoluerende, turbulente omgeving waarin
magnetische velden een cruciale rol spelen bij het bepalen hoe materie in het
zwarte gat valt en hoe energie naar buiten wordt geslingerd. ‘Het feit dat het
polarisatiepatroon tussen 2017 en 2021 van richting veranderde, was totaal
onverwacht’, legt Tiede uit. ‘Het daagt onze modellen uit en laat zien dat er
nog veel is in de buurt van de waarnemingshorizon dat we niet begrijpen.’
Sera Markoff van de Universiteit van
Amsterdam voegt daaraan toe: ‘Door werk van Nederlandse wetenschappers
zagen we tegelijk met de draaiing van de polarisatie een gammaflits. We weten
dat magnetische velden een grote rol spelen bij de versnelling van deeltjes die
kunnen leiden tot zo’n flits, dus het is mogelijk dat de draaiing verbonden is
met deze flits.’
Nieuwe telescopen
Cruciaal was dat bij de EHT-waarnemingen van 2021 twee
nieuwe telescopen werden gebruikt – Kitt Peak in Arizona en NOEMA in Frankrijk
– die de gevoeligheid en beeldhelderheid verbeterden. Hierdoor konden
wetenschappers voor het eerst met de EHT de richting van de straal die uit M87
schiet beter bepalen.
‘De verbeterde kalibratie heeft geleid tot een opmerkelijke
verbetering van de datakwaliteit en de prestaties, met nieuwe korte basislijnen
– tussen NOEMA en de IRAM 30m-telescopen, en tussen Kitt Peak en SMT – die de
eerste beperkingen op de zwakke emissie aan de basis van de straal opleverden’,
zegt Sebastiano D. von Fellenberg, postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck
Instituut voor Radioastronomie (MPIfR). ‘Deze verbetering in gevoeligheid
verbetert ook ons vermogen om subtiele polarisatiesignalen te detecteren.’
Evolutie sterrenstelsels
Stralen die, zoals die uit M87, uit
zwarte gaten schieten, spelen een cruciale rol in de evolutie van
sterrenstelsels: ze reguleren stervorming en verspreiden energie op grote
schaal. De krachtige straal van M87 biedt een uniek laboratorium om te
bestuderen hoe deze kosmische verschijnselen ontstaan. Deze nieuwe detectie
biedt een essentieel stukje van de puzzel.
De EHT is een internationaal samenwerkingsverband dat
afbeeldingen van zwarte gaten maakt. Sterrenkundigen koppelen telescopen over
de hele wereld en maken zo als het ware een grote virtuele telescoop ter
grootte van de aarde. In 2019 publiceerde de Event Horizon Telescope de eerste foto van een zwart gat. Bij het project
zijn astronomen betrokken van de Radboud Universiteit, de Universiteit van
Amsterdam, de Universiteit Leiden, de NOVA-technische submm-groep van de
Rijksuniversiteit Groningen en JIVE. Voor dit onderzoek hebben Nederlandse
wetenschappers essentiële bijdragen geleverd. Vanuit de Radboud
Universiteit heeft Michael Janssen het team samen met Paul Tiede (Harvard
Smithsonian) geleid. Monika Moscibrodzka (Radboud Universiteit) heeft in 2021
de eerste analyse van de polarisatiedata uit 2017 geleid. Sera Markoff
(Universiteit van Amsterdam) is mede-coördinator van de groep die naar de
straling van de bron op andere golflengtes kijkt, wat belangrijk is voor de
interpretatie van de nieuwe resultaten.
De metingen van NOEMA en bijdragen vanuit Nederland aan de waarnemingen werd
eerder mogelijk gemaakt door bijdragen van Radboud Universiteit en de ERC. De
volgende stap in het onderzoek naar zwarte gaten is de uitbreiding van de EHT
met de Africa Millimeter Telescope in Namibië, die dankzij subsidies van ERC,
NWO en een garantie van de Radboud Universiteit de komende jaren gebouwd gaat
worden. Deze telescoop zal een cruciale schakel vormen tussen telescopen in
Europa, Zuid- en Latijns-Amerika en op de Zuidpool, waarna in de toekomst
kleurenfilms van zwarte gaten kunnen worden gemaakt.
De ERC Synergy Grants ‘BlackHoleCam’ van Heino Falcke (Radboud), Michael Kramer
(MPIfR Bonn) en Luciano Rezzolla (U. Frankfurt) en ‘Blackholistic’ van Heino
Falcke, Sera Markoff, Rob Fender (Oxford) zijn van groot belang (geweest) voor
dit onderzoek.
