De Nobelprijs en de eerste afbeelding van een zwart gat

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

Onlangs zagen we hoe twaalf laureaten de Nobelprijs 2020 kregen, en hoe een van hen met hun onderzoek en ontdekkingen een opmerkelijke bijdrage leverde aan de mensheid. 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 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 supergroot 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 zich inderdaad een zwart gat bevindt in het centrum van ons melkwegstelsel, dat tegenwoordig bekend staat onder de naam Sagittarius A*.

Om het thema volledig te begrijpen, moeten we enkele 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 begrip dat veel gebruikt wordt in veel onderwerpen in de sterrenkunde, namelijk het begrip ruimtetijd. Ruimtetijd is een manifold van vier dimensies, drie dimensies ruimte en één dimensie tijd, in een coördinatensysteem met (x,y,z,t). Een interessant feit is dat een enkel punt in dit coördinatenstelsel een gebeurtenis wordt genoemd. Daarmee krijgen we de definitie van een zwart gat.

Het zwarte 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 in het zwarte gat en verdwijnen, naar een plaats die zelfs nu nog onbekend is voor wetenschappers. Het interessante hier is dat als zelfs het licht zich niet kan losmaken van deze kracht, het onmogelijk is 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 erg moeilijk. Hoe doen wetenschappers het dan?

In theorie worden zwarte gaten meestal gevormd wanneer een zeer massieve ster, veel zwaarder dan de zon, aan het eind van zijn leven instort. De massa is een zeer belangrijke factor om te bepalen 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 dichte massalichaam wijst. En door deze kracht beginnen gas en deeltjes dichtbij of in de buurt van het zwarte gat een rotatiesnelheid te krijgen en worden met geweld in het zwarte gat aangetrokken. Dit verschijnsel wordt de Accretieschijf.

Deze gravitatie- en wrijvingskracht zorgt 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 mooi, 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 verschillen sterk 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 Telescoop 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, waarna alles werd samengevoegd tot een beeld. Het kan klinken als een eenvoudige zaak 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 in 1997 gepubliceerd artikel toont Genzel aan dat hij gegevens uit vijf verschillende jaren, van 1992 tot 1996, verzamelt over snel bewegende sterren 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 restanten of substellaire entiteiten bij die dichtheid", aldus het artikel (GENZEL et al., 1997). De conclusie luidt: "er moet een massief zwart gat zijn in de kern van de Melkweg".

In een ander gepubliceerd artikel uit 1998 van Ghez, werd in een twee jaar durende studie hetzelfde patroon van bewegende beginpunten op dezelfde plaats ontdekt, zoals in het artikel wordt gezegd "de pieken van zowel de stellaire oppervlaktedichtheid als de snelheidsspreiding komen overeen met de positie van de (toen nog kandidaat-)zwarte gatenkandidaat Sgr A*" (GHEZ et al, 1998). De in de studie gebruikte beelden werden verkregen bij nabij-infrarode golflengten, het soort frequentie dat door de accretieschijf wordt uitgezonden.

Hier is een korte lijst met deze artikelen:

GENZEL, R. et al. Over de aard van de donkere massa in het centrum van de Melkweg. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 291, n. 1, p. 219-234, 11 uit. 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. The Astrophysical Journal, 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. The Astrophysical Journal, v. 689, n. 2, p. 1044-1062, dez. 2008.

Is het universum niet prachtig?

Dit alles is 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 veel vragen op die om antwoorden smeken en toekomstig onderzoek motiveren. Niet alleen vragen over hun innerlijke structuur, maar ook vragen over hoe we onze zwaartekrachttheorie kunnen testen onder de extreme omstandigheden in de onmiddellijke nabijheid van een zwart gat". En we zullen er zijn, uitkijkend naar de volgende pauze! Ondertussen bedanken we de laureaten van dit jaar Roger Penrose, Reinhard Genzel en Andrea Ghezje bent geweldig!

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

HAWKING, S.; PENROSE, R. The Nature of Space and Time. American Journal of Physics, v. 65, n. 7, p. 676-676, 1 juli 1997.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Energiebehoud als basis van de 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. Energy Conservation as the Basis of Relativistic Mechanics. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, p. 55-59, 1 jan. 1965.

Als je een project of een presentatie hebt over een astronomisch gebied, 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 op het thema te krijgen, dus we zijn hier om u te helpen met dat, kunt u onze inhoud te controleren over astronomie hier.

Je kunt in Mind the Graph alles vinden wat je nodig hebt en als dat niet zo is, kunnen wij je helpen!

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

De Nobelprijs en de eerste zwarte gat foto

Over Fabricio Pamplona

De Nobelprijs en de eerste zwarte gat foto

Abonneer u op onze nieuwsbrief

Over Fabricio Pamplona