Je leest:

‘Astronomie is als een boswandeling’

‘Astronomie is als een boswandeling’

Leverde Nobelprijswinnaar Reinhard Genzel hét bewijs voor het bestaan van zwarte gaten?

Auteur: | 25 juni 2021

Als het heelal een woud is, dan zag astronoom Reinhard Genzel het grootste monster dat er woont: een kolossaal zwart gat. Hij observeerde het jarenlang en bewondert het nog steeds. Zijn observaties leverden hem vorig jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde op.

“Iedere dag ga je het oerwoud in en bewonder je het. Je ontdekt nieuwe bomen, struiken en bloemen in allerlei kleuren. Alle ontdekkingen schrijf je netjes op in je boekje. Dát is wat astronomie in hoge mate is: bewonderen en inventariseren. Het is de reden dat ik de astronomie in ben gegaan, het bos is zo mooi! Ik wilde dat niet missen”, aldus Reinhard Genzel.

De spreekwoordelijke bomen en bloemen in het leven van Genzel zijn interstellaire gaswolken, sterren en zwarte gaten. In die laatste categorieën is er één exemplaar dat al zo’n dertig jaar lang zijn wetenschappelijke carrière bepaalt: het massieve zwart gat in het centrum van de Melkweg, ofwel Sagittarius A*.

Astronoom en Nobelprijswinnaar Reinhard Genzel van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in de buurt van München.

NEMO Kennislink spreekt Genzel in zijn kantoor op het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in de buurt van München. Per videoverbinding, want corona dicteert nog steeds reisbeperkingen. Als de verbinding tot stand komt, zie ik Genzel van een afstandje in zijn kantoor zitten, een ongewoon perspectief voor een online vergadering. Wapperende lamellen op de achtergrond, een lege vergadertafel op de voorgrond en daar tussenin een met edelstenen en fossielen gevuld bureau waarachter de kersverse Nobelprijswinnaar zit. Trots laat hij een ammoniet zien, een fossiel van een tientallen miljoenen jaren geleden uitgestorven inktvisachtige. Fossielen op het bureau van een astronoom? Het werk van een paleontoloog verschilt niet wezenlijk van dat van een astronoom, om dezelfde eerdergenoemde reden, aldus Genzel.

Hij speelt met de op afstand bestuurbare camera en zoomt langzaam in op zichzelf. Dit is niet de enige camera waarover hij controle heeft. Als astronoom richtte hij onder andere een van de allergrootste ogen in de wereld, de Very Large Telescope (VLT) in Chili, op het hart van de Melkweg. Vanaf 1992 houden hij en zijn collega’s de bewegingen van de sterren daar in de gaten, ieder jaar maken ze een paar nieuwe foto’s. Het bleek Nobelprijsmateriaal. Genzel ontving de prijs afgelopen jaar in de categorie Natuurkunde samen met de Amerikaanse astronoom Andrea Ghez en de Britse wis- en natuurkundige Roger Penrose.

De sterren die Genzel en Ghez onafhankelijk van elkaar in de smiezen hielden, deden iets bijzonders: ze draaiden razendsnel om een schijnbaar leeg punt in de ruimte. Op een filmpje is te zien dat een ster met de naam S2 een opmerkelijk volledig rondje maakt in ongeveer zestien jaar. Wat kon een ster zó ‘uit de bocht’ laten vliegen? De enige plausibele verklaring was de aanwezigheid van een zwart gat met een massa van ongeveer vier miljoen keer dat van onze zon. Dit was voor velen hét bewijs dat er zich daar een zwart gat ophoudt: Sagittarius A*.

Bewegingen van sterren rondom de plek waar zich het zwarte gat Sagittarius A* bevindt. De video bestrijkt een periode van ongeveer twintig jaar.

Al in de jaren 30 werd er een sterke radiobron in het hart van de Melkweg gevonden. In de jaren 80 bleken er in het gebied gaswolken met enorme snelheden te bewegen. Dat waren allemaal bewijsstukjes voor de aanwezigheid van een zwart gat. Ook in andere sterrenstelsels werd bewijs gevonden voor massieve zwarte gaten. Waarom was nog steeds niet iedereen overtuigd?

“In de jaren 90 was het voor veel astronomen wel helder. Mijn begeleider (Nobelprijswinnaar Charles Townes, die metingen deed aan Sagittarius A* – red.) was een van hen. Maar de natuurkundigen wilden meer bewijs. Een heldere radiobron is nog geen zwart gat en gas kan in theorie ook door andere krachten dan de zwaartekracht bewegen, bijvoorbeeld in een sterk magnetisch veld of door sterren die het uitspuwen. Bovendien was de regio te ver weg om er een overtuigend beeld van te maken.”

Een van de telescopen van de Very Large Telescope in Chili.
ESO/Y. Beletsky

Toen besloot u er de krachtigste telescoop van de wereld op te richten.

“We hebben een instrument gebouwd (NAOS-CONICA – red.) dat het licht van de vier telescopen van de VLT in Chili combineert, ieder met een spiegel van acht meter. Dit instrument speelde een cruciale rol in het Nobelwerk. Daarmee bemachtigden we ook zoveel waarneemtijd op een grote telescoop (ongeveer vijftig nachten vanaf het begin van de waarnemingen – red.). Dat kon namelijk alleen doordat we ons instrument aan de ESO schonken, de organisatie die de telescoop beheert. Uiteindelijk profiteren andere astronomen er dan ook van: zij mogen gebruikmaken van zo’n instrument. Dat is de truc om zoveel tijd te krijgen.”

“Maar de natuur hielp ook een handje. Bijvoorbeeld door ons sterren te ‘geven’ die zó dicht om het zwarte gat heen draaien. Dat was in zekere zin onverwacht. Ik denkt dat iedere theoretisch astronoom van tevoren had gezegd dat het experiment zou falen. Men dacht dat er geen sterren zouden zijn in die omgeving.”

Zijn alle wetenschappers nu overtuigd dat daar een zwart gat zit?

“Ik zou zeggen van wel, nu we de Nobelprijs voor de Natuurkunde hebben gekregen. Maar kijk eens goed naar de formulering van het Nobelprijscomité: ze zeggen dat we de prijs winnen voor de ontdekking van een ‘super massief object’. Ze zeggen dus niet dat het een zwart gat is! Toen ik met de secretaris van het comité sprak, zei hij overigens wél dat het een zwart gat is, en hij heeft dit ook tijdens publieke presentaties gezegd. Maar het staat dus niet geschreven.”

En waarom is dat?

“Er zijn nog open vragen. We hebben nu bewezen dat de ruimtetijd rondom Sagittarius A* zich gedraagt zoals de algemene relativiteitstheorie dat voorspelt bij zo’n zwaar object. Om écht zeker te weten dat het om een zwart gat gaat, moeten we de rotatie van het ding bepalen. Als we dat kunnen, zijn ook de fysici helemaal tevreden. We kunnen dan laten zien dat het aan het zogenoemde no-hair theorem voldoet: dat het volledig met slechts drie parameters te beschrijven is: de massa, de lading en de rotatie.”

“We werken op dit moment aan een experiment dat dit kan bewijzen: door met een grotere telescoop naar zwakke sterren te kijken die zich nog dichter bij het zwarte gat bevinden. Andere onderzoeksgroepen proberen dat te bewijzen door te kijken naar zwaartekrachtsgolven. Ik denk dat dit bewijs er over tien tot twintig jaar ligt.”

Een beeld van het zwarte gat in het sterrenstelsel M87. Het werd gemaakt door radiotelescopen van de Event Horizon Telescope.

Maar als die bewegende sterren nog niet overtuigend genoeg zijn, dan is die foto van het zwarte gat in het buursterrenstelsel M87 dat toch wel?

“Ook hier kun je zeggen dat een ring met een donker gat in het midden veel dingen in het astronomische bos kan zijn. Er zijn sterren met een enorme heldere ring van materie eromheen waarbij je de ster zelf niet ziet. Dat hóeft dus niet per se een zwart gat te zijn.”

“Goed, dat is een flauw antwoord. Een beter antwoord is dat het team van de Event Horizon Telescope nog niet heeft laten zien dat de grootte van de centrale ‘schaduw’ precies overeenkomt met wat de relativiteitstheorie voorspelt. Dat kun je doen met het zwarte gat in onze eigen Melkweg, waarvan we een accurate schatting van de massa hebben. Ze werken hard aan een foto van dit zwarte gat. Ik heb goede hoop dat ze dit gaat lukken, dat zou grote overtuigingskracht – ook voor de natuurkundige gemeenschap – hebben.”

“Afgezien van dat is het een prachtig resultaat. Als je niet overtuigd bent van het nut van fundamenteel onderzoek, dan laat deze foto zien dat het op zijn minst heel mooi is.”

Met name de natuurkundigen zijn dus nog niet helemaal overtuigd. Waarin verschillen zij van de astronomen?

“Ze hebben andere rollen in de wetenschap te vervullen. De astronoom noteert alles wat hij waarneemt in het astronomische bos, de natuurkundige vraagt zich vervolgens af waarom de blauwe bloemen altijd aan de linker kant van het pad staan.”

“Zelf ben ik half astronoom, half natuurkundige. Nee wacht, ik ben zestig procent natuurkundige en veertig procent astronoom. Als natuurkundige ben ik de astronomie ingerold. In de Townes-groep waar ik lid van was, werd veel experimenteel werk gedaan. We keken echt naar de natuurkundige kant van de zaak.”

Snáppen we zwarte gaten inmiddels?

“Het concept van een zwart gat is niet eens zo moeilijk. Als je begrijpt dat licht een bepaalde snelheid heeft en óók wordt beïnvloed door de zwaartekracht, dan kom je al snel tot de conclusie dat er plekken kunnen zijn waar geen licht meer vandaan kan komen, een zwart gat.”

“En toch: alles eindigt in het midden van een zwart gat in een punt dat oneindig klein is en een oneindig hoge dichtheid heeft, een zogenoemde singulariteit. Hoe kan dat!? De zwaartekracht die hierbij een hoofdrol speelt, is nog steeds een van de meest onderzochte gebieden in de wetenschap. We proberen op allerlei manieren voorbij die waarnemingshorizon te kijken. Kunnen we misschien toch een glimp opvangen van die singulariteit? Ontsnappen er misschien toch nog signalen uit een zwart gat, zoals de Hawking-straling? Ik kan je niet vertellen of dit onderzoek tot bevredigende antwoorden gaat leiden. Het heeft ons al honderd jaar gekost om überhaupt te bewijzen dat zwarte gaten bestaan.”

Uitgelicht door de redactie

Geneeskunde
‘Ieder geschikt orgaan krijgt een bestemming’

Neurowetenschappen
Sommige ‘coronawoorden’ zullen we weer schrappen uit ons geheugen

Geowetenschappen
Het klimaat in de beklaagdenbank

U bent nu bijna zeventig jaar oud. Welke wetenschappelijke vraag zou u nog beantwoord willen zien in uw leven?

“Hoe het leven is ontstaan en of dat ook onder ándere omstandigheden dan op de aarde mogelijk is. Dat is een fundamentele vraag die ik enorm interessant vind. Het is ook een vraag waar de komende jaren een doorbraak mogelijk is. Er zijn meer dan vijfduizend exoplaneten bekend, planeten die om andere sterren dan de zon draaien. Wetenschappers beginnen nu langzaam de atmosferen van sommige van die planeten te onderzoeken, onder andere met de machine die wij ontwikkelden voor ons onderzoek aan het zwarte gat. De komende twintig jaar zal dit onderzoek versnellen met telescopen zoals de James Webb Space Telescope en de Extremely Large Telescope. De vraag is wel of we leven op die manier van buitenaf kunnen identificeren. Welke condities heersen er op zo’n planeet? Wordt er energie geproduceerd die van leven afkomstig is?”

Als u op dit moment nog een nieuwe carrière zou kunnen beginnen, zou u in dit vakgebied beginnen?

“Nee, ik zou neurowetenschapper worden! Haha. Dat is wat mijn dochters doen. Ik vind de experimenten die zij doen op het gebied van geheugen en cognitie fascinerend. En ik geloof in wat mijn mentor Townes zei, dat je van vakgebied moet wisselen op het moment dat er te veel mensen instromen. Dat is zeker waar voor de astronomie, het aantal astronomen is de laatste tientallen jaren sterk gegroeid. Je kunt zeggen dat het vakgebied succesvol is, maar het betekent ook dat je in enorme consortia van misschien wel honderden mensen moet werken. Dat is niet echt mijn ding. Het pad waarvan ik zelf het genoegen en voorrecht heb gehad om het te bewandelen, is niet zo makkelijk meer.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 juni 2021

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.