Op 10 april 2019 werd door een team van astronomen van over de hele wereld de gecoördineerde aankondiging gedaan dat de eerste afbeelding van de ‘schaduw van een zwart gat’ was verkregen door de Event Horizon Telescope (EHT). Dit ‘zwarte gat’ bevond zich in het centrum van het gigantische, elliptische sterrenstelsel M87 in het Virgo-sterrenstelselcluster, zo’n 55 miljoen lichtjaren verderop. Tot dusver waren alle afbeeldingen van zwarte gaten computersimulaties of artistieke impressies. Derhalve is de afbeelding (Figuur 1 hier) uniek in de geschiedenis van de astronomie.

Figuur 1: De gepubliceerde afbeelding van het zwarte gat in de kern van het gigantische sterrenstelsel M87, zo’n 55 miljoen lichtjaren verderop.

De Event Horizon Telescope (EHT) is een samenwerkingsverband van dertien wetenschappelijke instellingen en acht verschillende radiotelescopen in Hawaï, Arizona, Chili, Mexico, Spanje en op de Zuidpool, onder leiding van dr. Sheperd S. Doeleman van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Deze acht radiotelescopen moesten allemaal worden afgesteld om op dezelfde millimetergolflengte te werken, aangezien die golflengte door de nevel van stof en gas in centra van sterrenstelsels dringt. Vanwege dit stof en gas was het onmogelijk om het object via kortere golflengten te bekijken, wat een scherper beeld zou hebben opgeleverd. Om deze beperking te boven te komen werden de acht telescopen aan elkaar gekoppeld om als eenheid te opereren met behulp van atoomklokken. Gezamenlijk fungeerden ze als verzilverde punten op een spiegel van wereldformaat, waardoor de hiermee verkregen radiotelescoop zo breed was als de aarde, om zo het best mogelijke beeld op te leveren.

De observaties werden gedaan gedurende vijf nachten in april 2017, toen het boven geen van de faciliteiten bewolkt was, omdat wolken het signaal in het millimeterbereik blokkeren. Toen de observaties compleet waren, moesten de gegevens worden geanalyseerd en bewerkt met computertechnieken om een afbeelding te vormen. Dat gedeelte van het proces nam twee jaar onderzoektijd in beslag. In de verkregen afbeelding zaten enkele ‘lege plekken’ die moesten worden ‘opgevuld’ met gebruikmaking van de EHT-samenwerking. Figuur 1 is het resultaat van die inspanning. Een vollediger verslag kan worden gevonden op de nieuwssite van Science.

Waarom men denkt dat het een zwart gat is

Figuur 2: Het gigantische elliptische sterrenstelsel M87. De ellipsvorm is hier duidelijk te zien. De kleinere, vage objecten zijn ook sterrenstelsels.

Aangezien ons is verteld dat we een ‘zwart gat’ in het centrum van ons eigen Melkwegstelsel hebben, kun je je afvragen waarom de keuze is gemaakt voor een enorm sterrenstelsel op 55 miljoen lichtjaren afstand. Het blijkt dat het EHT-samenwerkingsverband tijdens zijn observaties naar het centrum van ons eigen sterrenstelsel heeft gekeken. Ons sterrenstelsel heeft echter slechts een klein zwart gat, geschat op een massa van enige miljoenen zonnemassa’s en met een kleine diameter, terwijl M87 een monstrueus zwart gat heeft met naar schatting 6,5 miljard keer de massa van onze zon en met een grotere diameter. Het was gemakkelijker resultaten te verkrijgen van M87 dan van ons eigen sterrenstelsel. Hoe dan ook, M87 was een goede keuze, omdat het een ongewoon groot sterrenstelsel is. Het wordt omschreven als een gigantisch elliptisch sterrenstelsel en ziet er door grote telescopen bekeken uit als getoond in Figuur 2.

Figuur 4: Een röntgenafbeelding van de nauwe plasmastraal die voortkomt uit de kern van sterrenstelsel PKS 1127-145 op zo’n 10 miljard lichtjaren afstand.

De kleinere, vage objecten in de buurt ervan op de afbeelding zijn andere, normalere sterrenstelsels. Dit geeft een indruk van de omvang van dit monster. Zelfs uit enkele van de eerste waarnemingen van M87 in de jaren 1950 bleek dat een enorme, nauwe plasmastraal uit het centrum ervan spoot. Een foto daarvan is te zien in Figuur 3. De oriëntatie van het sterrenstelsel M87 is ongeveer hetzelfde als in Figuur 2 en de felle stip van waaruit de straal komt is de kern van M87. Naarmate de tijd versteek, ontdekten astronomen dat andere verre sterrenstelsels ook nauwe of gefocuste plasmastralen hadden die vanuit hun kernen kwamen, zoals te zien in de röntgenafbeelding van PKS 1127-145 in Figuur 4, een sterrenstelsel op zo’n 10 miljard lichtjaren afstand. Naarmate deze onderzoeken verdergingen van de jaren 1960 tot de jaren 1990, werd duidelijk dat bijna elk sterrenstelsel oorspronkelijk een superactieve kern had met bijbehorende fonteinen. Deze centrale objecten kwamen bekend te staan onder de naam Quasars of active galactic nuclei [‘actieve sterrenstelselkernen’ – afgekort AGN-stelsels]. Men ontdekte dat het licht dat van quasars uitging, feller was dan het licht van de rest van het hele sterrenstelsel bij elkaar. Wanneer het licht van een ver afstaande quasar geblokkeerd werd, kwam het licht van de omringende sterren waaruit het gastheersterrenstelsel bestond tevoorschijn. Dit toonde aan dat deze objecten echt volledige sterrenstelsels op grote afstanden waren.

Figuur 3: De nauwe plasmastraal die losbarst uit de kern (de felle lichtpunt) van M87.

Later konden we de schijf van gas en stof in beeld brengen die het centrale object omringde, net als in de kern van sterrenstelsel NGC 4261 met zijn fonteinen (‘jets’). Dit is te zien in Figuur 5.

Figuur 5: Sterrenstelsel NGC 4261 met poolstralen en een afbeelding van de kern met een schijf van stof en gas rondom het centrale object.

Deze observaties van AGN-stelsels gaven ons meer informatie, aangezien de draaisnelheid van schijven rond het centrale object bepaald konden worden door Dopplerverschuivingen. Deze draaisnelheden bleken extreem hoog te zijn. Als ze gravitair [door de zwaartekracht] zouden worden veroorzaakt door de schijf die rond een centraal object draait, dan zou dat object enorm massief moeten zijn.

Figuur 6: Typische quasar of actieve sterrenstelselkern met zijn jets, alle aangedreven door een centraal zwart gat.

Daarbij komt dat hoe verder we de ruimte in keken, hoe helderder de quasars en hun jets werden. Dit resulteerde in een energieprobleem. Waar kwam de energie voor deze helderheid vandaan? Om meer energie opgewekt te krijgen, hebben we een mechanisme nodig om dat te doen. Astronomen hadden alleen in termen van zwaartekrachttheorieën gedacht, en van zwaartekracht is nog nooit waargenomen dat deze een dergelijk soort energie heeft opgewekt. Wiskundig zou het mogelijk zijn, maar in het echt was het nooit waargenomen.

De enige gravitatieoplossing die kon worden gevonden was gebaseerd op Einsteins vergelijkingen uit 1915, die suggereerden dat een supermassief object zou kunnen worden gevormd door ineenstorting. Het idee van zwarte gaten stond Einstein echter niet aan, ondanks het feit dat Schwarzschild in 1919 een wiskundige verklaring bood om Einsteins bezwaar te verhelpen. In 1939 opperde Oppenheimer dat zwarte gaten zouden kunnen worden gevormd door sterren die ineenstorten tot een punt, maar dat was slechts een theoretisch concept. Nu echter, met de komst van de waarnemingen van quasars met een onbekende krachtbron, waren zwarte gaten de enige voorgestelde gravitaire bron van de immense energieproductie die werd waargenomen. Als gevolg hiervan werd dit antwoord de standaard astronomische verklaring. Het typische plaatje dat sterrenstelselkernen en jets (quasars) verklaart is te zien in Figuur 6. Een groot probleem hiermee is dat het, ondanks uitgebreide computermodellen, extreem moeilijk is om de jets vanuit een systeem van een zwart gat te laten vormen. Ze zijn overduidelijk aanwezig, maar hoe ze ontstaan en waarom is binnen elk zwartegatenmodel onzeker. Met gaat ervan uit dat magnetische velden een belangrijke rol spelen, maar hoe is niet duidelijk.

Verklaringen voor de afbeelding van het “zwarte gat”

De vergroting in drie stappen van het centrale object in M87 in Figuur 7 kan nu worden begrepen. De hoofdafbeelding is de algehele kijk op M87, met het centrale deel omkaderd. Wanneer dit wordt vergroot, zoals in het kader aan de rechterkant, zijn in dit gebied de twee jets te zien die vanuit het centrale object komen. De derde vergroting, onderaan, toont het centrale object zelf, dat de bron is van de helderheid en de jets. Ik vermoed dat het kader onderaan 90 graden tegen de klok in zou moeten worden gedraaid om de richting van de jets correct te laten blijven. Dit vanwege het feit dat het helderste deel van de afbeelding wordt gevormd door materiaal dat op ons afkomt, zoals in de jet aan de rechterkant.

Figuur 7: De drietrapsvergroting van de kern van M87 om de afbeelding van het centrale object te tonen.

De standaard gravitatieastronomie beschouwt dit als de afbeelding van een “zwart gat” dat het systeem in het centrum van M87 van energie voorziet, vanwege de hierboven uiteengezette historische redenen. Zij zien het donkere gebied in het midden als de “schaduw” van het zwarte gat. Er wordt gesuggereerd dat het zwarte gat zelf zo’n tweeënhalve keer kleiner is, op basis van Einsteinwiskunde met modificaties van Schwarzschild en Oppenheimer.
De afbeelding is zeker een prestatie, ook al blijven er enige twijfels bestaan vanwege de ‘lege plekken’ die moesten worden ‘ingevuld’ door de EHT-samenwerkingsprocessoren. Toch is het, gegeven de validiteit van deze radioafbeelding, realistisch om te vragen wat we nu eigenlijk zien en of er een alternatieve oplossing is voor het energieprobleem. Toen Maarten Schmidt in 1963 voor het eerst de aard van quasars ontdekte, was het antwoord nee. Het eerste moment dat enig werk op het gebied van plasmafysica werd geaccepteerd was vier jaar later, in 1967. Ondanks het feit dat Hannes Alfven in 1970 de Nobelprijs ontving voor zijn wiskundige benadering van het gedrag van deeltjes in een plasma met grote dichtheid, wees hij erop dat deze benadering niet van toepassing was in de ruimte, waar plasma’s dunner zijn. Dit werd genegeerd. Het was pas rond 1990 dat plasmafysici die gebruikmaakten van laboratoriumexperimenten met plasmafilamenten in staat waren de vele objecten die we in de astronomie zien, na te bootsen. Dit wordt samengevat in het boek ‘Physics of the Plasma Universe’ van Anthony Peratt van de Los Alamos National Laboratories. Naast andere reproduceerbare experimenten was er de formatie van alle verschillende soorten sterrenstelsels door middel van plasmaprocessen. Elk van deze sterrenstelsels heeft een bijbehorend elektrisch circuit en elke elektrische stroom heeft een omcirkelend magnetisch veld. Dit is vastgesteld door middel van gedetailleerde observaties van sterrenstelsels als M82 en M51. Het uit experimenten resulterende circuit, geverifieerd door observatie van echte sterrenstelsels, wordt getoond in een geïdealiseerd diagram in Figuur 8.

Figuur 8: Het elektrische circuit voor sterrenstelsels die zijn gevormd door plasmafysica in het laboratorium komt overeen met de circuits die zijn geobserveerd in M82 en M51.

In Figuur 8 komt de galactische elektrische stroom langs de spiraalarm binnen. Het magnetisch veld dat de stroom omcirkelt, beperkt de omvang van de spiraalarm. De stroom en het magnetische veld komen tot een climax in de kern en verlaten deze via de jets. Dan cirkelen ze rond en komen weer binnen via de spiraalarmen. De inzet in Figuur 8 toont het spoor van het circuit voor sterrenstelsel M82. Wanneer elektrische stromen en magnetische velden gefocust worden in een laboratorium, vormt zich een plasmoid [een coherente structuur van plasma en magnetische velden], zoals te zien in Figuur 9. De plasmoid heeft een torusvorm (in principe een donutvorm) met pooljets van elektrisch geladen en neutraal materiaal, die een normaal verschijnsel van het systeem zijn zoals te zien in Figuur 10. In de plasmafysica in het lab zijn de draaisnelheid van de plasmoid en de omringende schrijf en de werking van de pooljets geheel afhankelijk van de sterkte van de elektrische stroom. Een gelijksoortige situatie is naar verwachting van toepassing in de centra van sterrenstelsels. Als dit het geval is, dan kan het zijn dat gravitatiefysica hier geen rol speelt. Dit houdt in dat het “zwarte gat”-scenario wellicht niet valide is, maar dat we in plaats daarvan te maken hebben met plasmafysica en een plasmoid.

Figuur 9: Een plasmoid wordt gevormd in het lab wanneer elektrische en magnetische velden gefocust worden. Bipolaire jets worden meestal geassocieerd met de plasmoid en kunnen episodisch afvuren, net als hun kosmische tegenhangers.

Figuur 10: Een illustratie van een plasmoid – een snel draaiende torusvorm met jets van neutraal en geïoniseerd materiaal.

Als het een plasmoid betreft waar we naar kijken in de afbeelding van Figuur 1 die onlangs is gepubliceerd, dan is het heldere gebied de torusvorm van de plasmoid, terwijl het ‘zwarte gat’ in het donkere binnenste ervan het ‘gat’ in de donut is. De helderdere buitengebieden worden gegenereerd door de intense elektrische en magnetische velden van de plasmoid. Hun schittering en draaisnelheid zijn, net als de energie van de pooljets, geheel afhankelijk van de kracht van de stromen, waarvan de verwachting is dat deze sterker zijn in het vroege universum. Met het ouder worden van het heelal beginnen de stromen af te nemen en daarmee de quasaractiviteit, wat deze anomalieën verklaart. In het geval van onze eigen Melkweg is de activiteit van het centrale object al helemaal tot een einde gekomen, met slechts af en toe een uitbarsting van röntgen- en gammastralen. Niettemin zijn de restanten van de activiteit van de jets in ons sterrenstelsel opgepikt in röntgen- en gammastralingsgegevens van de Fermi-telescoop en zijn deze zichtbaar als de twee paarse kwabben in Figuur 11.

Figuur 11: Het Melkwegstelsel, te zien in een reconstructie vanaf de rand gezien. Gegevens van de Fermi-telescoop onthullen de twee paarse kwabben als restanten van de activiteit van de pooljets van het centrale object in de kern van het sterrenstelsel.

De laatste kwestie die besproken moet worden is de massa van het zwarte gat die op basis van de snelheid van de draaiende schijf wordt verondersteld. Deze schijf is in Figuur 1 buiten beeld. In de plasmafysica wordt de draaisnelheid gecontroleerd door de kracht van de elektrische stroom. In het geval van ons Melkwegstelsel en zijn centrum, is er echter een aantal sterren dat zich in een nauwe baan rond het centrale object bevindt. Hun beweging doet een sterk zwaartekrachtveld veronderstellen. Anthony Peratt stelt dit punt echter aan de orde in zijn artikel “Evolution of a Plasma Universe,” in IEEE Transactions on Plasma Science Vol 14:6 pp.639-778. Zijn tweede vergelijking in dat artikel laat de gecombineerde effecten zien van de betrokken elektrische en magnetische velden op sterren en hun banen, naast het effect van zwaartekracht. Wanneer deze beide elektromagnetische effecten en zwaartekracht in acht worden genomen, is de anomalie opgelost. Dit leidt tot een belangrijke waarneming. Wanneer zulke sterren in de nabijheid van een zwart gat bewegen, zou er een aantal gevallen van zwaartekrachtlenswerking van deze sterren moeten optreden. Maar het centrum van ons sterrenstelsel wordt sinds 1992 intensief onderzocht en er zijn geen aanwijzingen gevonden voor zwaartekrachtlenseffecten. 1 Dit suggereert dat ons centrale object misschien helemaal geen zwart gat is, maar in plaats daarvan een plasmoid.
In het licht van al deze feiten is de conclusie dat de afbeelding in Figuur 1 wellicht helemaal niet die van een zwart gat is, maar eerder die van een plasmoid en de daarmee gepaard gaande jets die het M87-systeem aandrijven.

Dit artikel is met toestemming overgenomen van de website van Setterfield. Het originele artikel is hier te vinden.

Voetnoten

  1. E.H. Dowdye Jr. Proceedings of the NPA 7:131-136 (2010)

LEUK ARTIKEL?
Bent u blij met dit artikel? Het onderhoud en de ontwikkeling van deze website vragen financiële offers. Zou u ons willen steunen met een maandelijkse bijdrage? Dat kan door ons donatieformulier in te vullen of een bijdrage over te schrijven naar NL53 INGB000 7655373 t.n.v. Logos Instituut. Logos Instituut is een ANBI-stichting en dat wil zeggen dat uw gift fiscaal aftrekbaar is.

Barry Setterfield

Written by

It is never good science to ignore anomalous data or to eliminate a conclusion because of some presupposition. Sir Henry Dale, one-time President of the Royal Society of London, made an important comment in his retirement speech: "Science should not tolerate any lapse of precision, or neglect any anomaly, but give Nature's answers to the world humbly and with courage." To do so may not place one in the mainstream of modern science, but at least we will be searching for truth and moving ahead rather than maintaining the scientific status quo.