De Nobelprijs en de eerste afbeelding van een zwart gat

Je hebt waarschijnlijk het nieuws gehoord over de eerste foto van een zwart gat die door een wetenschapper is geplaatst. De foto was niet alleen geweldig nieuws voor de sterrenkunde, maar ook voor de hele wereld. Deze foto was de eerste stap naar een nieuwe deur van informatie. Het heelal wordt steeds meer verlicht door nieuwe informatie en daardoor zijn we in staat om alle mysteries buiten onze planeet beter te begrijpen.

Onlangs zagen we hoe twaalf laureaten werden beloond met de Nobelprijs 2020 en hoe één van hen een opmerkelijke bijdrage leverde aan de mensheid met hun onderzoek en ontdekkingen. Het zijn allemaal geweldige onderzoekers en we zouden het hier graag over elk van hen hebben, maar vandaag gaan we het voor een betere uitleg en een beter begrip van de context van de eerste afbeelding van een zwart gat hebben over het werk van de laureaten Roger Penrose, Reinhard Genzel en Andrea Ghez, de winnaars van de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Volgens de officiële website van de Nobelprijs kregen de laureaten erkenning "voor de ontdekking dat de vorming van zwarte gaten een robuuste voorspelling is van de algemene relativiteitstheorie" en "voor de ontdekking van een superzwaar compact object in het centrum van ons melkwegstelsel". Penrose bewees met indrukwekkende wiskundige methoden dat zwarte rollen verband houden met de relativiteitstheorie van Einstein, terwijl Reinhard Genzel en Andrea Ghez onomstotelijk bewezen dat er inderdaad een zwart gat in het centrum van ons Melkwegstelsel zit, tegenwoordig bekend onder de naam Sagittarius A*.

Om het thema volledig te begrijpen, moeten we een paar basisbegrippen over zwarte gaten kennen, zoals "Wat is een zwart gat?"; "Waar zijn ze van gemaakt? Waar kunnen we er een vinden?"

Het eerste wat we moeten weten is een concept dat veel wordt gebruikt in veel onderwerpen in de sterrenkunde, namelijk het begrip ruimtetijd. Ruimtetijd is een vierdimensionale vorm, drie dimensies van ruimte en één dimensie van tijd, in een coördinatensysteem zouden we (x,y,z,t) hebben. Een interessant feit is dat een enkel punt in dit coördinatensysteem een gebeurtenis wordt genoemd. Met dat gezegd hebben we de definitie van een zwart gat.

Zwart gat is een ruimtetijdgebied waar de zwaartekracht zo STERK is dat geen enkel gas, stof, deeltje of zelfs het licht zich ervan kan losmaken! Ze worden allemaal STERK aangetrokken door de zwaartekracht en verdwijnen in het zwarte gat, naar een plek die zelfs vandaag de dag nog onbekend is voor wetenschappers. Het interessante hier is dat als zelfs het licht zich niet kan losmaken van deze kracht, het onmogelijk is om een zwart gat te zien of zelfs maar te weten waar er een is. Het is alsof je een zwart voorwerp op een zwarte achtergrond probeert te zien, je ziet het niet, of als je het ziet, is het heel moeilijk. Hoe doen wetenschappers het dan?

In theorie worden zwarte gaten meestal gevormd wanneer een zeer massieve ster, die veel zwaarder is dan de zon, aan het einde van zijn leven in elkaar stort. De massa is een zeer belangrijke factor om te beslissen of de dode ster in een zwart gat of een neutronenster zal veranderen. Deze supermassieve ster wordt door de zwaartekracht in een zeer kleine ruimte geperst en om het zwarte gat te vormen kan die compacte massa de ruimtetijd vervormen, volgens de algemene relativiteitstheorie.

Deze vervorming van de ruimtetijd creëert een zwaartekrachtversnellingskracht die naar het centrum van het lichaam met de dichte massa wijst. En door deze kracht beginnen gassen en deeltjes dichtbij of in de buurt van het zwarte gat een rotatiesnelheid te krijgen omdat ze met geweld in het zwarte gat worden aangetrokken. Dit fenomeen wordt de Accretieschijf.

Deze zwaartekracht en wrijvingskracht zorgen ervoor dat alle gassen en deeltjes met elektrische ladingen niet alleen een temperatuurstijging veroorzaken, maar ook een elektromagnetische straling met verschillende frequenties zoals infrarood of röntgenstraling. Door deze verbazingwekkende eigenschap kan een zwart gat "gezien" worden. Dit is goed, maar het vergemakkelijkt het werk van de wetenschapper niet voor 100 procent. Je hebt een frequentie die je kunt volgen, maar je kunt nog steeds niet zeggen "oh kijk, een zwart gat daar aan de hemel". We kunnen het licht van een zwart gat niet gelijk stellen aan dat van een gewone ster; ze zijn heel verschillend van elkaar. Maar het goede nieuws is dat het zwarte object uit het begin nu licht geeft op de zwarte achtergrond.

Op de eerste foto van het zwarte gat zien we de accretieschijf. Het zwarte gat is in dit geval 6,5 miljoen keer zwaarder dan onze zon en bevindt zich in het sterrenstelsel Messier 87, 53 miljoen lichtjaar van de aarde. De foto kon worden gemaakt met het tijdwerk van acht verschillende telescopen over de hele wereld, de Event Horizon Telescope en enkele andere ruimtetelescoopmissies, die samen op hetzelfde moment gegevens van M87 vastlegden, in april 2017. Elk van hen legde verschillende gegevens van het zwarte gat vast en daarna werd alles samengevoegd tot een beeld. Het klinkt misschien eenvoudig en in één stap, maar de wetenschapper moest hard werken om alle gegevens volledig te begrijpen en te begrijpen hoe ermee om te gaan, welk algoritme te gebruiken en hoe het te gebruiken.

In een artikel dat in 1997 werd gepubliceerd, toonde Genzel aan dat verzamelde gegevens uit vijf verschillende jaren, van 1992 tot 1996, snelbewegende sterren vastleggen in de onmiddellijke omgeving van Sgr A*, en dat zich in het midden van deze sterren een zeer grote en zware donkere massa bevindt. "Er is geen stabiele configuratie van normale sterren, stellaire overblijfselen of substellaire entiteiten bij die dichtheid", aldus het artikel (GENZEL et al., 1997). De conclusie is dat "er een massief zwart gat in de kern van de Melkweg moet zijn".

In een ander gepubliceerd artikel in 1998 door Ghez, werd in een twee jaar durend onderzoek hetzelfde patroon van bewegende start gedetecteerd op dezelfde plaats, zoals wordt gezegd in het artikel "pieken van zowel stellaire oppervlaktedichtheid als de snelheidsspreiding komen overeen met de positie van de zwarte gat kandidaat (toen nog kandidaat) Sgr A*" (GHEZ et al., 1998). De beelden die in het onderzoek zijn gebruikt, zijn verkregen met nabij-infrarode golflengten, het soort frequentie dat door de accretieschijf wordt uitgezonden.

Hier is een korte lijst met deze artikelen:

GENZEL, R. et al. On the nature of the dark mass in the centre of the Milky Way. Maandelijkse Mededelingen van de Koninklijke Astronomische Vereniging, v. 291, n. 1, p. 219-234, 11 out. 1997.

GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Bewijs voor een superzwaar zwart gat in het centrum van onze Melkweg. Het astrofysisch tijdschrift, v. 509, n. 2, p. 678-686, dez. 1998.

GHEZ, A. M. et al. Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits. Het astrofysisch tijdschrift, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.

Is het universum niet prachtig?

Dit is allemaal al ongelooflijk, maar er staat ons nog veel meer te wachten, zoals David Haviland, voorzitter van het Nobelcomité voor natuurkunde, zei "...deze exotische objecten roepen nog steeds veel vragen op die om antwoorden smeken en toekomstig onderzoek motiveren. Niet alleen vragen over hun inwendige structuur, maar ook vragen over hoe we onze zwaartekrachttheorie kunnen testen onder de extreme omstandigheden in de directe omgeving van een zwart gat". En we zullen er zijn, maar we kijken uit naar de volgende pauze! Ondertussen bedanken we de laureaten van dit jaar Roger Penrose, Reinhard Genzel en Andrea GhezJe bent geweldig!

Als je ook over het werk van Roger Penrose wilt lezen, dan zijn hier een paar artikelen die zijn werk beschrijven. Een ervan werd gepubliceerd samen met de legendarische Stephen Hawking. Je kunt deze artikelen hier ook bekijken:

HAWKING, S.; PENROSE, R. De aard van ruimte en tijd. Amerikaans Tijdschrift voor Natuurkunde, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1 jul. 1997.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Energiebehoud als basis van relativistische mechanica. II. American Journal of Physics, v. 33, n. 12, p. 995-997, 1 dez. 1965.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. An Approach to Gravitational Radiation by a Method of Spin Coefficients. Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, p. 566-578, 1 maio 1962.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Energiebehoud als basis van relativistische mechanica. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1 jan. 1965.

Als je een project of presentatie hebt over sterrenkunde, kun je Mind the Graph gebruiken om je inhoud efficiënter, didactischer en leuker te maken! We weten dat het moeilijk is om goede foto's over het thema te krijgen, dus we zijn hier om je daarbij te helpen. Je kunt onze inhoud over astronomie bekijken hier.

Je vindt in Mind the Graph alles wat je nodig hebt en als je het niet vindt, kunnen we je helpen!

Laten we samen de communicatie in de wetenschap verbeteren! Ben je klaar om het te proberen?

De Nobelprijs en de eerste afbeelding van een zwart gat

Abonneer u op onze nieuwsbrief

Over Fabricio Pamplona