Hoe fotografeer je iets wat zelfs het licht verzwelgt?

De eerste foto van een zwart gat is een mijlpaal in de fysica en een overwinning van het menselijk vernuft. Toch was de foto door wederzijds wantrouwen en politieke strubbelingen bijna niet genomen. ‘Het was een soort Brexit-onderhandeling, maar dan andersom.’

1 januari 2000: Het plan

Een foto maken van iets wat je eigenlijk niet kunt fotograferen. Dat is grofweg het plan dat de Duitse astronoom Heino Falcke en zijn collega’s in 2000 opschrijven in het vakblad The Astrophysical Journal Letters.

Daarin beschrijft hij hoe je een monster van mythische proporties kunt vangen op de gevoelige plaat. Een beest waarvan astronomen al jaren vermoeden dat hij in het centrum van de Melkweg huist, als een spin in een kosmisch web: het superzware zwarte gat Sagittarius A*, zo zwaar als vier miljoen zonnen.

Al sinds het begin van de vorige eeuw denken astronomen te weten dat dergelijke zwarte gaten moeten bestaan. Dingen met zoveel massa dat vanaf een bepaalde afstand niets – zelfs het licht niet – aan hun aantrekkingskracht kan ontsnappen. Hoe fotografeer je zoiets, iets wat zelfs het licht verzwelgt? Simpel, stelt Falcke in zijn artikel: breng de gitzwarte schaduw van het gevaarte in beeld, wanneer deze voor de felle kakofonie aan straling in zijn leefgebied langstrekt.

Het is een plan zo gek dat het misschien nog kan lukken ook. Maar er zijn ook twijfels. Sagittarius A* is weliswaar reusachtig (50 miljoen kilometer doorsnee), maar staat ook heel ver – bijna 300 biljoen kilometer – bij ons vandaan. En dus is hij vanaf de aarde gezien bijna onmeetbaar klein.

Falcke weet echter iets wat anderen zich onvoldoende realiseren. De enorme zwaartekracht van een zwart gat trekt de straling in zijn buurt uit zijn baan, zoals een loep dat doet met zichtbaar licht. Met vergelijkbaar resultaat. ‘Door de zwaartekracht ontstaat een soort lens die het zwarte gat vijfmaal vergroot’, zegt Falcke. ‘En dan kun je hem wel op de foto zetten.’

Zelfs dan is het in beeld brengen van het gat nog altijd vergelijkbaar met het fotograferen van een appel op de maan. De enige manier om zó scherp te kunnen kijken, is met een reuzetelescoop. Falcke stelt voor een speciale techniek te gebruiken die telescopen van over de hele wereld aan elkaar knoopt tot zo’n enorme telescoop. VLBI (Very Long Baseline Interfometry), heet dat ook wel in vakjargon.

Datzelfde jaar nog dient Falcke een officieel voorstel in om geld en waarneemtijd te krijgen om de foto te kunnen maken. Maar omdat hij nog aan het begin van zijn carrière staat en in het wereldje te onbekend is, durft niemand te gokken op zijn gekke plan.

Hij besluit vervolgens te gaan werken bij de Nederlandse radiotelescoop LOFAR en zichzelf te verbinden aan de Radboud Universiteit in Nijmegen. ‘Ik hoopte op die manier mijn reputatie op te bouwen’, zegt Falcke, ‘zodat ik later het geld en de invloed had om die foto wél te kunnen maken.’

Maart 2004: Samenwerken? Nee, bedankt!

Zoals dat gaat met grootse plannen in de wetenschap: je bent nooit de enige ter wereld die ermee bezig is. En veel groter dan het idee om een zwart gat op de foto te zetten, wordt het niet in de natuur- en sterrenkunde.

In het binnenste van deze kosmische monsters schuilen namelijk antwoorden op de grootste raadsels uit de moderne fysica. Kwesties als: wat zijn de meest fundamentele bouwstenen van de werkelijkheid? Kunnen we onze belangrijkste natuurkundetheorieën – Einsteins algemene relativiteitstheorie en de tegendraadse quantumfysica – samenvatten in één enkele wiskundige beschrijving? Fotografeer een zwart gat en je komt vanzelf dichter bij de antwoorden.

In de Verenigde Staten is astronoom en VLBI-expert Shep Doeleman daarom al een aantal jaar bezig met concrete plannen om zo’n reuzetelescoop te bouwen. Doel: het op de foto zetten van Sagittarius A* of het zwarte gat in het binnenste van sterrenstelsel Messier 87. Die laatste staat weliswaar duizendmaal verder weg dan Sagittarius A*- op zo'n 500 triljoen kilometer afstand - maar is ook zo'n duizendmaal groter, zodat het grofweg even makkelijk (of moeilijk) op de foto te krijgen is.

Op een conferentie vraagt Falcke aan Doeleman en de Amerikaanse astronoom Geoff Bower of ze kunnen samenwerken. Falcke stelt een groot, internationaal megaproject voor, geïnspireerd op de werkwijze bij de Large Hadron Collider, de deeltjesversneller waarmee fysici jaren later het lang gezochte higgsdeeltje zouden vinden. Doeleman wil daar echter niets van weten.

In 2012 volgt een tweede poging. Falcke won in 2011 de Spinozapremie, de belangrijkste wetenschappelijke prijs van Nederland. Daarbij hoort een geldbedrag van 2,5 miljoen euro. ‘Ik kan dat gebruiken voor dit project’, zegt Falcke tegen Doeleman. Die wijst hem tot zijn grote verbazing weer af. ‘Hij zei dat ze genoeg geld hadden. Ik wist dat dat niet waar was.’ Waarom de Amerikaan niet wil samenwerken, is Falcke een raadsel.

Januari 2013: BlackHoleCam

Een volgende financiële meevaller voor Falcke. Hij krijgt een grote beurs van 15 miljoen euro van de Europese Unie en begint het project BlackHoleCam. In een persbericht vertelt hij expliciet dat hij wil samenwerken met het project van Doeleman.

Doeleman is daar helemáál niet blij mee. Hij is nu niet beschikbaar voor een interview met de Volkskrant, maar zijn kant van het verhaal is eerder opgetekend in het boek Einstein’s Shadow. ‘Het leek wel alsof Heino zichzelf had uitgenodigd voor een expeditie om de Mount Everest te beklimmen door aan te bieden om te helpen met de rekeningen. Terwijl Heino, ondanks zijn onderzoek naar Sagittarius A*, nog nooit een berg had beklommen’, schrijft wetenschapsjournalist Seth Fletcher daarin.

Het probleem zit hem vooral in het verdelen van de eer. ‘Als dit project ooit een prijs zou winnen op het niveau van de Nobelprijs, dan zouden slechts twee à drie van de honderd mensen die meewerkten hem krijgen’, schrijft Fletcher.

Doeleman weet tegelijk dat hij geen keus heeft. Een van de sleutelobservatoria in zijn plan voor het bouwen van een wereldwijde telescoop is de Atacama Millimeter Array (ALMA) in Chili, de sterkste radiotelescoop ter wereld. En ALMA wordt bestuurd vanuit een partnerschap tussen wetenschappelijke instituten in Europa, Noord-Amerika en Japan. Nu Falcke Europa achter zich heeft, loopt Doeleman het risico zijn toegang tot ALMA te verliezen als hij de Nijmeegse astronoom niet toelaat.

Falcke herinnert zich deze periode als zenuwslopend. ‘Het was een soort Brexit-onderhandeling, maar dan andersom. Ik wist nooit hoe onze positie er nu precies uitzag, waar we aan toe waren. Er was heel weinig vertrouwen.’

April 2015: De eerste waarneming

Sagittarius A* en Messier-87 zijn slechts een paar weken per jaar zichtbaar vanaf het noordelijk halfrond. Daarom zijn eind maart/begin april de belangrijke weken voor mogelijke waarnemingen. Ondanks een aantal tegenvallers – ALMA doet vanwege politieke redenen nog niet mee en de telescoop op de Zuidpool is nog bezig met technische verbeteringen – besluit men in april 2015 tot een eerste test van de Event Horizon Telescope. Het is geen groot succes. De deelnemende telescopen hebben technische tegenvallers en ook het weer zit tegen. Voor goede waarnemingen mag er namelijk niet te veel waterdamp in de atmosfeer zitten – die absorbeert straling met precies de golflengten waar de astronomen naar kijken.

Na de testrun bereiken Falcke en Doeleman eindelijk een overeenkomst over de organisatorische principes. Doeleman wordt directeur, Falcke voorzitter van de wetenschappelijke commissie. De weg ligt open naar de eerste échte waarnemingen.

April 2017: De eerste foto van een zwart gat

Twee jaar later is het zover. Doeleman heeft een soort commandocentrum opgericht in Cambridge en stuurt alles van afstand aan. Falcke is bij een van de telescopen om waarnemingen te doen.

Het plan is om vier nachten lang de hemel af te speuren. Op de eerste dag – hoofdattracties Sagittarius A* en Messier-87 staan die avond niet op het waarneemprogramma – is het weer direct goed.

Op Slack, een online chat die de onderzoekers als primaire bron van communicatie gebruiken, stuurt Doeleman het verlossende woord: ‘Beslissing voor 5 april: GO voor VLBI. Dit is géén oefening.’ Om 12.31 uur ’s nachts, Nederlandse tijd, brengt de EHT zijn eerste doel in beeld: OJ 287, een paar supermassieve zwarte gaten op 3,5 miljard lichtjaar afstand van de aarde.

Het weer blijft goed. Als Doeleman daarom vier dagen op rij wil doorgaan, beginnen de onderzoekers te muiten. Iedereen is toe aan een rustdag. ‘Ik weet nog goed dat ik een interview deed met Lara Rense op Radio 1 en dat mijn Nederlands héél slecht was’, zegt Falcke. ‘Er kwamen zelfs klachten over binnen via Twitter. Ik was heel moe. Verpletterd.’

Op de ochtend van 11 april zitten de metingen erop. De astronomen hebben dan meer dan 65 uur aan opnames van de hemel verzameld, weggeschreven op 1024 harddiscs van 8 terrabyte per stuk. De ene helft gaat vervolgens naar de Amerikaanse Haystack Observatory, de andere naar het Max Planck Instituut in Bonn, Duitsland. Na analyse blijkt al snel dat het experiment geslaagd is, al weet nog niemand precies wát ze hebben gezien.

_{Lees verder onder de infographic}

Juni 2018: Het ontwikkelen van de foto

Op 5 juni is de analyse van de waarnemingen uit 2017 eindelijk klaar. De astronomen sturen hun werk naar vier werkgroepen die van alle gegevens beelden maken. Om te voorkomen dat de onderzoekers elkaar bij de analyse beïnvloeden, werken de groepen gescheiden. Ze hebben bovendien moeten zweren alles geheim te houden. Voor het maken van de beelden gebruiken ze verschillende algoritmes en bekijken alles dat er ‘te mooi’ uitziet extra kritisch. Uiteindelijk rolt uit de vergelijking tussen die resultaten de eerste foto van een zwart gat – een foto waarover volgens de onderzoekers geen twijfel meer kan bestaan of deze echt is.

Die foto bereikt pas een jaar later het grote publiek. Het beeld oogt misschien nog wat vaag, maar vertelt een indringende boodschap. Eentje die doet denken aan de klassieke waarschuwing die kaartenmakers in het verleden op hun werk krabbelden wanneer ze op een gebied stuitten dat je beter kunt vermijden: Hic sunt leones. Hier zijn leeuwen.

Zwarte gaten, de meest indrukwekkende monsters uit de kosmos, bestaan echt. En we hebben ze eindelijk gezien.