In april 2019, wetenschappers hebben met behulp van de Event Horizon Telescope (EHT) de eerste afbeelding van een zwart gat in melkweg M87 vrijgegeven. Echter, die opmerkelijke prestatie was nog maar het begin van het wetenschappelijke verhaal dat verteld moest worden.

Gegevens van 19 observatoria die vandaag zijn vrijgegeven, beloven een ongeëvenaard inzicht te geven in dit zwarte gat en het systeem dat het aandrijft. en om de tests van Einsteins algemene relativiteitstheorie te verbeteren.

"We wisten dat het eerste directe beeld van een zwart gat baanbrekend zou zijn, ", zegt Kazuhiro Hada van de National Astronomical Observatory of Japan, een co-auteur van een nieuwe studie gepubliceerd in De astrofysische journaalbrieven die de grote verzameling gegevens beschrijft. "Maar om het meeste uit dit opmerkelijke beeld te halen, we moeten alles weten over het gedrag van het zwarte gat op dat moment door over het hele elektromagnetische spectrum te observeren."

De immense zwaartekracht van een superzwaar zwart gat kan stralen van deeltjes aandrijven die met bijna de lichtsnelheid over grote afstanden reizen. De jets van M87 produceren licht dat het hele elektromagnetische spectrum bestrijkt, van radiogolven tot zichtbaar licht tot gammastraling. Dit patroon is voor elk zwart gat anders. Het identificeren van dit patroon geeft cruciaal inzicht in de eigenschappen van een zwart gat, bijvoorbeeld zijn spin en energie-output, maar is een uitdaging omdat het patroon met de tijd verandert.

Wetenschappers hebben deze variabiliteit gecompenseerd door waarnemingen te coördineren met veel van 's werelds krachtigste telescopen op de grond en in de ruimte, het verzamelen van licht uit het hele spectrum. Deze waarnemingen in 2017 waren de grootste gelijktijdige waarnemingscampagne die ooit is uitgevoerd op een superzwaar zwart gat met jets.

Drie observatoria beheerd door het Centrum voor Astrofysica | Harvard &Smithsonian namen deel aan de historische campagne:de Submillimeter Array (SMA) in Hilo, Hawaii; het in de ruimte gestationeerde Chandra X-ray Observatory; en het Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) in het zuiden van Arizona.

Te beginnen met het nu iconische beeld van M87 van de EHT, een nieuwe video neemt kijkers mee op een reis door de gegevens van elke telescoop. Elk opeenvolgend frame toont gegevens over vele factoren van tien in schaal, zowel van golflengten van licht als fysieke grootte.

De reeks begint met de afbeelding van het zwarte gat in april 2019. Het beweegt dan door beelden van andere radiotelescooparrays van over de hele wereld (SMA), tijdens elke stap naar buiten bewegen in het gezichtsveld. Volgende, het zicht verandert in telescopen die zichtbaar licht detecteren, ultraviolet licht, en röntgenstralen (Chandra). Het scherm splitst om te laten zien hoe deze afbeeldingen, die tegelijkertijd hetzelfde deel van de hemel bedekken, met elkaar vergelijken. De reeks eindigt door te laten zien welke gammastralingstelescopen op de grond (VERITAS), en Fermi in de ruimte, detecteren van dit zwarte gat en zijn straal.

Elke telescoop levert andere informatie over het gedrag en de impact van het 6,5 miljard zonnemassa zwarte gat in het centrum van M 87, die zich op ongeveer 55 miljoen lichtjaar van de aarde bevindt.

"Er zijn meerdere groepen die graag willen zien of hun modellen overeenkomen met deze rijke observaties, en we zijn verheugd om te zien dat de hele gemeenschap deze openbare dataset gebruikt om ons te helpen de diepe banden tussen zwarte gaten en hun jets beter te begrijpen, " zegt co-auteur Daryl Haggard van de McGill University in Montreal, Canada.

De gegevens zijn verzameld door een team van 760 wetenschappers en ingenieurs van bijna 200 instellingen, verspreid over 32 landen of regio's, en het gebruik van observatoria die worden gefinancierd door agentschappen en instellingen over de hele wereld. De waarnemingen waren geconcentreerd van eind maart tot midden april 2017.

"Deze ongelooflijke reeks waarnemingen omvat veel van 's werelds beste telescopen, " zegt co-auteur Juan Carlos Algaba van de Universiteit van Malaya in Kuala Lumpur, Maleisië. "Dit is een prachtig voorbeeld van astronomen over de hele wereld die samenwerken bij het nastreven van wetenschap."

De eerste resultaten laten zien dat de intensiteit van het licht geproduceerd door materiaal rond het superzware zwarte gat van M 87 de laagste was die ooit was waargenomen. Dit leverde ideale omstandigheden op om de 'schaduw' van het zwarte gat te zien, en ook om het licht te isoleren van gebieden dicht bij de waarnemingshorizon van die tienduizenden lichtjaren verwijderd van het zwarte gat.

De combinatie van gegevens van deze telescopen, en huidige (en toekomstige) EHT-waarnemingen, zal wetenschappers in staat stellen om belangrijke onderzoekslijnen uit te voeren naar enkele van de belangrijkste en meest uitdagende studiegebieden van de astrofysica. Bijvoorbeeld, wetenschappers zijn van plan deze gegevens te gebruiken om tests van Einsteins algemene relativiteitstheorie te verbeteren. Momenteel, onzekerheden over het materiaal dat rond het zwarte gat draait en in jets wordt weggeblazen, met name de eigenschappen die het uitgestraalde licht bepalen, vormen een grote hindernis voor deze algemene relativiteitstests.

Een verwante vraag die in de studie van vandaag aan de orde komt, betreft de oorsprong van energetische deeltjes genaamd "kosmische straling, " die de aarde voortdurend vanuit de ruimte bombarderen. Hun energieën kunnen een miljoen keer hoger zijn dan wat kan worden geproduceerd in de krachtigste versneller op aarde, de Large Hadron Collider. De enorme jets gelanceerd vanuit zwarte gaten, zoals die op de afbeeldingen van vandaag, worden beschouwd als de meest waarschijnlijke bron van kosmische straling met de hoogste energie, maar er zijn veel vragen over de details, inclusief de precieze locaties waar de deeltjes worden versneld. Omdat kosmische stralen licht produceren via hun botsingen, de meest energierijke gammastralen kunnen deze locatie lokaliseren, en de nieuwe studie geeft aan dat deze gammastralen waarschijnlijk niet worden geproduceerd in de buurt van de waarnemingshorizon - althans niet in 2017. Een sleutel om dit debat op te lossen, is een vergelijking met de waarnemingen van 2018, en de nieuwe gegevens die deze week worden verzameld.

"Het begrijpen van de deeltjesversnelling is echt essentieel voor ons begrip van zowel het EHT-beeld als de jets, in al hun 'kleuren', ", zegt co-auteur Sera Markoff van de Universiteit van Amsterdam. "Deze jets slagen erin om energie die vrijkomt door het zwarte gat te transporteren naar schalen die groter zijn dan het gaststelsel, als een enorme stroomkabel. Onze resultaten helpen ons de hoeveelheid gedragen vermogen te berekenen, en het effect dat de jets van het zwarte gat hebben op zijn omgeving."

De release van deze nieuwe schat aan gegevens valt samen met de waarnemingsrun van de EHT in 2021, die gebruikmaakt van een wereldwijd scala aan radioschotels, de eerste sinds 2018. De campagne van vorig jaar werd geannuleerd vanwege de COVID-19-pandemie, en het voorgaande jaar werd opgeschort wegens onvoorziene technische problemen. Deze week, voor zes nachten, EHT-astronomen richten zich op verschillende superzware zwarte gaten:opnieuw die in M87, degene in onze Melkweg genaamd Sagittarius A*, en een aantal verder weg gelegen zwarte gaten. Vergeleken met 2017, de array is verbeterd door nog drie radiotelescopen toe te voegen:de Greenland Telescope, de Kitt Peak 12-meter telescoop in Arizona, en de Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in Frankrijk.

"Met het vrijgeven van deze gegevens, gecombineerd met de hervatting van het observeren en een verbeterde EHT, we weten dat er veel spannende nieuwe resultaten in het verschiet liggen, ", zegt co-auteur Mislav Balokovic van Yale University.

"Ik ben erg opgewonden om deze resultaten te zien verschijnen, samen met mijn collega's die aan de SMA werken, sommigen waren direct betrokken bij het verzamelen van enkele gegevens voor dit spectaculaire uitzicht in M ​​87, " zegt co-auteur Garrett Keating, een Submillimeter Array-projectwetenschapper. "En nu de resultaten van Sagittarius A* - het enorme zwarte gat in het centrum van de Melkweg - binnenkort naar buiten komen, en de hervatting van de waarneming dit jaar, we kijken uit naar nog meer verbluffende resultaten met de EHT voor de komende jaren."