In 1992 knipte een nieuwe kosmische röntgenbron aan. De Russische satelliet Granat ontdekte hem als eerste. Het werd een van de meestbesproken röntgenbronnen ooit, en waarschijnlijk de meest intense binnen de Melkweg. Granat 1915+105 is de naam, afgekort tot GRS 1915+105. De cijfers verwijzen naar de positie aan het zwerk.
Gemorste gaswolken. Opnamen door de Merlin-radiotelescoop van GRS 1915+105. De onderste gaswolken bewegen naar ons toe en lijken helderder dan de bovenste, die van ons af bewegen. Dat komt doordat de gaswolken met 90% van de lichtsnelheid bewegen. De hoogte van de balk is ongeveer 1000 miljard kilometer. R. Spencer/ University of Manchester at al, Merlin, Jodrell Bank
Kort na de ontdekking van de röntgenbron door Granat werd tevens duidelijk dat GRS 1915+105 naast röntgenstraling ook radiostraling en infrarood uitzendt. De eerste stap na een ontdekking van zo’n bron is meestal een optische identificatie. Aan de hand van het zichtbare licht dat het object uitzendt, proberen de astrofysici zijn aard te achterhalen. Dat bleek hier echter onmogelijk. Op zijn lange weg naar de aarde (het object staat op zo’n 35.000 lichtjaar afstand) doorkruist het licht zoveel interstellaire stofwolken, dat er te weinig overblijft om er de aard van het object mee te achterhalen.
GRS 1915+105 bleef daarmee gehuld in een mysterieus gewaad, maar mysterieus of niet, een volgende observatie veroorzaakte flinke krantenkoppen. Radiowaarnemingen met de VLA (Very Large Array) in New Mexico in de VS toonden dat het object bundels van materie uitstootte. Volgens onze beste schatting van de afstand tot de bron, leek een van die bundels zelfs sneller dan het licht te gaan. Dat is een bekend geometrisch verschijnsel dat je ook wel bij quasars tegenkomt. In werkelijkheid gaan ze natuurlijk niet sneller dan het licht, hoewel ze een werkelijke snelheid hebben die groter is dan zeventig procent van de lichtsnelheid, en waarschijnlijk zelfs boven de negentig procent uitkomt.
Opzuigen en uitspuwen
De röntgenwaarnemingen wezen erop dat het hier om een zwart gat moest gaan. Het is vrijwel zeker een dubbelstersysteem (zie ook de zwarte-gatenartikelen), waarbij het zwarte gat materie van zijn compagnon opzuigt. De materie spiraliseert rond het zwarte gat en vormt zo de accretieschijf, die sterk verhit raakt en daardoor röntgenstraling gaat uitzenden. Op de een of andere manier spuugt het systeem een gedeelte van de opgezogen materie uit, en wel met extreem hoge snelheden. Natuurlijk komt de materie niet uit het zwarte gat zelf; als materie in een zwart gat valt, is dat immers eenrichtingsverkeer. De uitgestoten materie moet daarom uit het systeem rondom het zwarte gat komen. De afgelopen jaren vormde dit gedrag van opzuigen en uitspuwen een grote puzzel voor de astrofysica – pas momenteel begint GRS 1915+105 ons enig inzicht in zijn gedrag te geven. De meeste recent ontstane röntgenbronnen doven na een paar maanden uit. GRS 1915+105 is echter al zeven jaar lang een intense röntgen- en radiobron. Dat maakte hem tot een dankbaar waarnemingsobject.
In sommige opzichten lijkt het gedrag van GRS 1915+105 en soortgelijke systemen op dat van quasars. Het verschil is dat de processen in dit geval op veel kortere tijdschalen plaatsvinden, zodat ze zich veel beter lenen voor waarnemingen. Wat hier een dag duurt, duurt in een quasar duizenden jaren. Vandaar dat GRS 1915+105 wel een microquasar wordt genoemd.
Accretieschijf
Wilde variaties. Een voorbeeld van de fluctuaties in de röntgenstraling die de microquasar GRS 1915+105 uitzendt. Binnen een uur zien we drie grote en regelmatige fluctuaties tegelijkertijd met hele snelle wisselingen.
Alle röntgenbronnen van het type waaronder ook de onderhavige valt, vertonen schommelingen in hun röntgenemissie. Toch is GRS 1915+105 een wat vreemde eend in de bijt. Normaal gesproken zijn de schommelingen kleine en willekeurige variaties. De microquasar fluctueert daarentegen wild. Soms wisselen helder en zwak elkaar zeer regelmatig om de minuut af, soms is de bron voor langere tijd zwak om pas later weer intens te worden. De variëteit in patronen van fluctuatie, zoals we die over de jaren hebben waargenomen, is verbazingwekkend. Er is geen enkele andere röntgenbron waarbij we hetzelfde zien.
In 1997 vond een groep onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam onder leiding van een van ons (Belloni) een verklaring voor de instabiliteit van onze bron. Zwarte gaten zenden zelf geen röntgenstraling uit, evenmin als licht. De röntgenstraling ontstaat dan ook in de accretieschijf, die wordt gevormd door het gas dat al spiraliserend in het zwarte gat valt. De schijf komt tot op een paar kilometer afstand van het zwarte gat. Daarbinnen valt het gas direct het gat in. Hoe dichter bij het centrum, hoe heter de materie in de schijf is. Door nu de maximale temperatuur van de schijf te bepalen, verkrijgen we een indicatie van de binnendiameter van de schijf, dus op het punt waar de materie stopt met spiraliseren en direct het gat in duikt. De binnendiameter volgt uit onze waarnemingen en het theoretische model dat we ervoor hebben opgesteld.
Deze techniek is welbekend onder zwarte-gatenvorsers. Gebruikelijk bevindt de binnenzijde van de schijf zich op enkele tientallen kilometers afstand van het zwarte gat, en is deze afstand bovendien ongeveer constant. In ons geval pakt dat echter heel anders uit. De binnenstraal van de microquasar wiebelt sterk op en neer, en deze wiebelingen veroorzaken navenante fluctuaties in de intensiteit van de straling. Als die intensiteit opeens afneemt, betekent dit dat de schijf plotseling afkoelt, wat op zijn beurt inhoudt dat de binnenstraal omhoog schiet, van een twintigtal kilometers tot enkele honderden. In slechts enkele seconden verdwijnt het binnenste gedeelte van de schijf volledig uit het zicht. Wat er gebeurt, is dat het binnengedeelte plotseling instabiel wordt en verdwijnt, waarna de vrijgekomen ruimte zich relatief langzaam weer vult met gas dat vanaf de buitenkant van de schijf naar binnen spiraliseert.
Verdwenen materie
De tijd die nodig is om de vrijgekomen ruimte opnieuw te vullen, moet afhangen van de grootte van die ruimte. Met andere woorden: hoe meer materie verdwijnt, hoe langer het duurt om de vrijgekomen ruimte op te vullen. En dat is precies wat we waarnemen. Hoe sterker de schijf afkoelt (dus hoe meer materie verdwijnt), hoe langer het inderdaad duurt voor het systeem weer met dezelfde intensiteit straalt. Alles geschiedt volgens de voorspellingen van de theorie.
We hebben het nu over materie die plotseling verdwijnt, maar we hebben het nog niet gehad over waar die blijft. Het meest voor de hand liggend is dat het gas direct in het zwarte gat verdwijnt, zonder een spoor achter te laten. De waarneming van bundels radiostraling suggereert echter dat er gas uit het systeem wordt geblazen. Dat zou natuurlijk hetzelfde gas kunnen zijn dat bij de accretieschijf verdwijnt. In dit scenario verwijdert de instabiliteit gas uit de binnenkant van de accretieschijf, terwijl een of ander volgend mechanisme tezelfdertijd het gas versnelt tot een intense straal die het systeem verlaat met bijna de snelheid van het licht. Mocht dat zo zijn, dan moet je dat kunnen zien aan de waarnemingen van de schijf en van de uitgestoten materie. Steeds als er volgens de röntgenwaarnemingen gas verdwijnt, zouden de radiowaarnemingen uitgestoten gasbundels moeten laten zien. Of, om helemaal in waarnemingstermen te spreken: zwakke röntgen moet worden gevolgd door heldere radiostraling.
Gasbundels
Telescopenrij in Y-vorm. De Very Large Array (VLA) in de Amerikaanse staat New Mexico deed de belangrijkste radiowaarnemingen aan GRS 1915+105. Het is een soort supertelescoop die uit 27 schotels in een Y-vorm van maximaal 36 kilometer doorsnede staan. De computer combineert de signalen van de schotels om effectief het resultaat te verkrijgen van een schotel van 36 kilometer doorsnede. Ter vergelijking: het Nederlandse ruimte-observatorium Westerbork op de Veluwe bestaat uit een rij met veertien telescopen over een afstand van maximaal 2,8 km. Dave Finley, courtesy NRAO/AUI
Rond dezelfde tijd dat we de röntgenfluctuaties aan het onderzoeken waren, bleek dat de radiostraling twee tot drie keer per uur kleine flikkeringen vertoonde. Een dergelijke reeks flikkeringen was nooit eerder in een kosmische radiobron ontdekt. Soms zagen we tot zeker driehonderd flikkeringen over een periode van dagen. Over de aard ervan tastten we echter in het duister.
Uit eerder opgedane ervaring wisten we dat radio-emissie van zwarte gaten normaal gesproken samenhangt met het uitstoten van materie. Daarenboven hadden de waarnemingen met de Very Large Array in New Mexico laten zien dat GRS 1915+105 in staat is bundels materie uit te spuwen. Dat leek te kloppen, ware het niet dat deze bundels optreden met een tijdschaal van ongeveer een dag, en niet enkele tientallen minuten, zoals onze flikkeringen. Misschien dat ze ontstonden door kleinere varianten op de grote uitgestoten bundels? In dat geval zouden ze tevens moeten optreden vlak na kleine dipjes in de röntgenstraling.
Er was duidelijk behoefte aan een simultane waarneming van radiostraling én röntgen. Een paar jaar geleden deden we dat voor het eerst, en we vonden inderdaad overeenstemming. De flikkeringen gingen gepaard met het wegvallen van het grootste deel van de röntgenstraling gedurende een ongeveer even lange tijd. De radiostraling komt van gaswolken, waarvan we al langer wisten dat die zich razendsnel verwijderen van het systeem zogauw ze ontstaan. De radiostraling geeft dus een sterke aanwijzing dat ons dubbelstersysteem materie uitstoot, in kleine porties (klein is een relatief begrip: elke portie kan wel de massa van een gemiddelde berg hier op aarde bevatten). Het lag tamelijk voor de hand om hier de conclusie uit te trekken dat het materiaal dat aan de binnenkant van de accretieschijf verdwijnt, wordt uitgestoten. Toch is dat spectaculair: voor het eerst hadden we aangetoond dat er een verband bestaat tussen materie die naar het centrum van een zwart gat spiraliseert, en materie die door het systeem wordt uitgespuwd. Inmiddels hebben andere observaties dit vermoeden bevestigd. Het blijkt dus dat zwarte gaten niet zo hongerig zijn als we wel dachten: ze slurpen niet alle materie op. De accretieschijf geeft een flinke slinger aan de spiraliserende materie, en spuugt daardoor een significant gedeelte terug uit.
Beeld schitterend bevestigd
Om dit beeld af te ronden, vroegen we ons af of de grote materiebundels, waarover we het in het begin hadden, gepaard gaan met navenant grote fluctuaties in de röntgenstraling. In oktober 1997 bleek dat beeld schitterend te worden bevestigd. Een periode van ongebruikelijke en stabiele röntgenactiviteit evolueerde binnen 24 uur tot een veel variabeler toestand. Een van ons (Fender) ging direct bekijken wat er in het radiogebied stond te gebeuren. Waarnemingen met de MERLIN-radiotelescopen in Groot-Brittannië lieten spectaculair gedrag zien: de microquasar stootte herhaald grote bundels materie uit met snelheden tot wel 99% van de lichtsnelheid.
De microquasar GRS 1915+105 heeft ons voor het eerst een relatie laten zien tussen de accretieschijf en de materie die met kracht wordt uitgespuwd. Voorheen dachten we dat diezelfde materie gedoemd was het onaantrekkelijke lot tegemoet te gaan van afdalen voorbij de waarnemingshorizon van een zwart gat – om nooit meer een teken van leven te geven. Nu blijkt dat dat niet altijd zo hoeft te zijn, maar dat behoorlijke hoeveelheden massa uitgestoten worden, als ware het zwarte gat een morsige veelvraat. Dat betekent echter niet dat het mechanisme waarmee dit uitspuwen geschiedt, is opgehelderd. Integendeel. Dat is de grote uitdaging die voor ons ligt. Een van de middelen die daarbij onmisbaar zijn, is in ieder geval de simultane waarnemingen van röntgen- en radiostraling.