Eerste foto van een zwart gat krijgt een make-over (en is nu scherper dan ooit!)

Wat met name opvalt is dat de buitenste ring op de nieuwe afbeelding een stuk smaller is, wat gevolgen zal hebben voor theoretische modellen over de zwaartekracht.

Enkele jaren geleden schreven astronomen geschiedenis toen ze de eerste foto van een zwart gat onthulden. Op die iconische foto schittert de schaduw van het zwart gat in het centrum van Messier 87, een zwaar sterrenstelsel in de Virgocluster op een slordige 55 miljoen lichtjaar afstand. Nu krijgt dit een interessant vervolg. Want met behulp van een nieuw algoritme zijn onderzoekers erin geslaagd de foto van het zwarte gat te verscherpen, waardoor we nu een nog beter beeld van dit ‘monster’ krijgen.

Iconische foto
Om het zwarte gat – of nauwkeuriger gezegd: de schaduw van de waarnemingshorizon – te fotograferen, schakelden onderzoekers in 2017 de hulp in van zeven radiotelescopen, gelegen op verschillende locaties over de hele wereld. Door deze radiotelescopen samen te laten werken, ontstond er als het ware een gigantische virtuele telescoop ter grootte van de aarde. En op die manier zag vervolgens twee jaar later ‘de eerste foto van een zwart gat’ het levenslicht. Hoewel de gebruikte techniek astronomen in staat stelde fijne details vast te leggen, miste het de kracht van een échte telescoop ter grootte van de aarde, waardoor er hiaten in de gegevens ontstonden.

PRIMO
Die hiaten zijn nu gevuld. En wel dankzij de ontwikkeling van een nieuw machine-learningstechniek. PRIMO (wat staat voor principal-component interferometric modeling) is in staat om de beelden die vervaardigd zijn dankzij de samenwerking van meerdere radiotelescopen, te verbeteren. En om de kracht van PRIMO te demonstreren, ontwikkelde het team een nieuwe, scherpere versie van de iconische foto van het superzware zwarte gat dat zich schuilhoudt in het centrum van Messier 87.

Links: de oorspronkelijke foto van het superzware zwarte gat in Messier 87. Rechts: de nieuwe afbeelding, gegenereerd door PRIMO met behulp van dezelfde dataset. Afbeelding: L. Medeiros (Institute for Advanced Study), D. Psaltis (Georgia Tech), T. Lauer (NSF’s NOIRLab), and F. Ozel (Georgia Tech)

Hierboven is de ‘make-over’ te bewonderen. Het team gebruikte voor de nieuwe afbeelding de originele gegevens uit 2017 en creëerde vervolgens een beter, veel scherper beeld. En dat heeft nieuwe details onthuld. De ‘wazige’ ring van licht is bijvoorbeeld op de nieuwe afbeelding niet zo wazig meer. Wat met name opvalt, is dat de nieuwe afbeelding de volledige omvang van het donkere, centrale gebied weergeeft. Blijkbaar beschikt het object over een veel smallere buitenste ring dan eerder gedacht. En dat is interessant. “Aangezien we zwarte gaten niet van dichtbij kunnen bestuderen, spelen de details in een afbeelding een cruciale rol in ons vermogen om hun gedrag te begrijpen,” zegt onderzoeksleider Lia Medeiros. “De breedte van de ring in de afbeelding is nu ongeveer een factor twee kleiner. Dit zal gevolgen hebben voor theoretische modellen over de zwaartekracht.”

Waarheidsgetrouw
Het team bevestigt in de studie, gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters, dat de nieuwe afbeelding consistent is met verzamelde gegevens en met theoretische verwachtingen. Ook de heldere ring is waarheidsgetrouw. Deze helderheid ontstaat wanneer heet gas in het zwarte gat valt.

Dictionary learning
Om deze nieuwe afbeelding te vervaardigen, vertrouwt PRIMO op een tak van machine learning die bekend staat als ‘dictionary learning’. Hierbij leren computers bepaalde regels doordat ze blootgesteld worden aan duizenden voorbeelden. De kracht hiervan is al op tal van manieren gedemonstreerd. Denk aan het namaken van kunstwerken in renaissancestijl tot aan de afwerking van het onvoltooide werk van Beethoven.

Nauwkeurige weergave
In dit geval analyseerden computers meer dan 30.000 gesimuleerde beelden van gas dat zich rond een zwart gat ophoopt, om op deze manier gemeenschappelijke patronen in die beelden te ontraadselen. Uiteindelijk ontstond er zo een nauwkeurige weergave van het zwarte gat dat zich in het centrum van Messier 87 ophoudt, aangevuld met nieuwe, betrouwbare informatie die op die eerste iconische foto ontbraken. “PRIMO biedt dus een manier om ontbrekende informatie over het waargenomen object te herstellen,” legt Lauer uit. “Dit is nodig om het beeld te genereren dat anders zou zijn gemaakt door een enkele, gigantische telescoop ter grootte van de aarde.”

Massa
De nieuw vervaardigde beelden zijn niet alleen een demonstratie van wat PRIMO kan. Zo moeten deze ook leiden tot nauwkeurigere schattingen van de massa van het zwarte gat. Ook hopen onderzoekers meer over de parameters die zijn huidige uiterlijk bepalen, te leren. Vervolgens zal PRIMO ook worden losgelaten op waarnemingen van Sagittarius A*, het zwarte gat in ons eigen Melkwegstelsel, dat vorig jaar voor het eerst werd gefotografeerd.

“De foto in 2019 was nog maar het begin,” zegt Medeiros. “Als een foto meer zegt dan duizend woorden, hebben de gegevens die aan die foto ten grondslag liggen nog veel meer verhalen te vertellen. PRIMO zal een cruciaal hulpmiddel zijn om deze nieuwe inzichten op te doen.”

Bronmateriaal

"A Sharper Look at the First Image of a Black Hole" - NoirLab
Afbeelding bovenaan dit artikel: L. Medeiros (Institute for Advanced Study), D. Psaltis (Georgia Tech), T. Lauer (NSF’s NOIRLab), and F. Ozel (Georgia Tech)

Fout gevonden?

Voor jou geselecteerd