Je leest:

Dubbel zwart gat bevestigt Einstein

Dubbel zwart gat bevestigt Einstein

Auteur: | 13 juni 2008

Sterrenkundige Mauri Valtonen en zijn collega’s hebben een extreem zwaar dubbel zwart gat onderzocht, de baan ervan bepaald, en in één moeite door Einsteins relativiteitstheorie bevestigd in de meest extreme omgeving ooit. En dat alles door het helderheidsverloop te meten van een quasar op drieënhalf miljard lichtjaar afstand.

Mauri Valtonen is geen man van grootspraak en superlatieven. De Finse astronoom, verbonden aan de Tuorla-sterrenwacht van de Universiteit van Turku, heeft een zachte, monotone stem, en zijn verhaal klinkt bijna even slaapverwekkend als het voorlezen van het telefoonboek. Maar wat hij vertelt is spectaculair. Valtonen en zijn collega’s hebben een extreem zwaar dubbel zwart gat onderzocht, de baan ervan bepaald, en in één moeite door Einsteins relativiteitstheorie bevestigd in de meest extreme omgeving ooit. En dat alles door het helderheidsverloop te meten van een quasar op drieënhalf miljard lichtjaar afstand.

Valtonen presenteerde de nieuwe resultaten begin dit jaar op een groot sterrenkundecongres van de American Astronomical Society in Austin, Texas. Op een drukbezochte persconferentie raakte Valtonens bescheiden praatje een beetje ondergesneeuwd door het audiovisuele geweld van ander, voornamelijk Amerikaans zwartegatennieuws. Maar de fijnproevers hadden het al snel door: dit is wetenschap op z’n mooist. Niks speculatieve theorieën en gelikte artist impressions; gewoon harde feiten, grafiekjes en fantastische resultaten.

De quasar waar het allemaal om draait heet OJ287 en bevindt zich in het sterrenbeeld Kreeft. Quasars (het woord is een samentrekking van quasi-star; aan de sterrenhemel lijken ze op sterren) zijn de heldere kernen van ver verwijderde sterrenstelsels. In het centrum van zo’n stelsel bevindt zich een superzwaar zwart gat dat gas en sterren uit zijn omgeving opzuigt. Via een platte, ronddraaiende ‘accretieschijf’ spiraalt die materie onherroepelijk het zwarte gat in, maar voordat het zover is, neemt de temperatuur zo sterk toe dat er grote hoeveelheden energierijke straling worden uitgezonden.

Een zwart gat in een dubbelster steelt materiaal van zijn partner. Het geroofde gas valt niet regelrecht in het zwarte gat, maar spiraliseert langzaam naar binnen via een accretieschijf. (bron: Don Dixon)

Dubbele piek

Het was Valtonens collega Aimo Sillanpää die twintig jaar geleden als onderdeel van zijn promotieonderzoek historische waarnemingen van OJ287 bestudeerde. Sillanpää onderzocht zo veel mogelijk foto’s uit stoffige astronomische archieven, en stelde zo een grafiek op van het helderheidsverloop van de quasar sins 1891. Daarop was duidelijk te zien dat de quasar ongeveer eens in de twaalf jaar veel helderder is dan gemiddeld. Als je goed keek, zag je zelfs dat er steeds sprake is van een dubbele helderheidspiek.

In een artikel in The Astrophysical Journal kwamen de Finse astronomen in 1988 met een tot de verbeelding sprekende verklaring voor de periodieke helderheidsuitbarstingen. Misschien draait er rond het zwarte gat in OJ287 nóg een zwart gat, in een langgerekte baan met een omlooptijd van twaalf jaar. Steeds wanneer de afstand tussen de twee zwarte gaten het kleinst is, beweegt die begeleider twee keer kort na elkaar door de accretieschijf van het grote zwarte gat. Er wordt dan opeens heel veel gas opgezogen en verhit, waardoor de quasar tijdelijk meer energie produceert dan normaal.

Het idee van een dubbel zwart gat is niet zo gek. Vermoedelijk herbergen alle sterrenstelsel een superzwaar zwart gat in hun kern. (Ook in de kern van ons eigen Melkwegstelsel bevindt zich zo’n superzwaar zwart gat, maar omdat het momenteel geen materie opzuigt, is er geen sprake van quasar-achtige activiteit.) Wanneer twee sterrenstelsels met elkaar botsen en versmelten, zullen de twee centrale zwarte gaten een baan om elkaar gaan beschrijven. Als er drie stelsels zijn versmolten, en een van de zwarte gaten is de ruimte in geslingerd, kunnen de resterende twee een langgerekte omloopbaan beschrijven.

Zoals verwacht vonden er in 1994 en 1995 opnieuw helderheidsuitbarstingen plaats. Dit keer hield het team de quasar oplettend in het oog, zodat er veel nauwkeuriger metingen werden verkregen. Op basis daarvan konden Valtonen en zijn collega’s een gedetailleerd model opstellen van het dubbele zwarte gat, waarvan inmiddels duidelijk was dat het extreem zwaar moet zijn: minstens 13 miljard keer de massa van de zon – twee keer zo zwaar als het zwaarste zwarte gat dat ooit is ‘gewogen’.

Impressie van een zwart gat dat zich opmaakt om een ster te verorberen.

Rekening houden met Einstein

Bij die modelberekeningen moest zorgvuldig rekening worden gehouden met de effecten van Einsteins relativiteitstheorie, die zich doen gelden in extreem sterke zwaartekrachtsvelden. Zo voorspelt Einstein dat de ellipsbaan van de begeleider in de loop van de tijd van oriëntatie verandert: de lange as van de baan verdraait bijna dertig graden per omloop. Ook de baan van de planeet Mercurius vertoont zo’n relativistische precessie, maar die bedraagt slechts 0,1 boogseconde per omloop. Zelfs bij de beroemde dubbelpulsar PSR 1913+16 is de precessie niet meer dan 12 boogseconden per omloop.

Een ander relativistisch effect, dat voor het eerst bij de dubbelpulsar is gemeten en waarvoor Joe Taylor en Russell Hulse in 1993 de Nobelprijs natuurkunde kregen, is het kleiner worden van de omloopbaan. De gemiddelde afstand tussen de twee pulsars (extreem compacte neutronensterren) neemt elke omloop met 3,1 millimeter af. Die baankrimp is het gevolg van energieverlies door het uitzenden van zwaartekrachtgolven. Maar in het geval van OJ287, zo bleek uit de Finse berekeningen, krimpt de omloopbaan veel sneller. De gemiddelde afstand tussen de twee zwarte gaten (ongeveer anderhalf biljoen kilometer) wordt elke omloop enkele tienduizenden kilometers kleiner!

Rekening houdend met al die effecten voorspelden Valtonen en zijn collega’s dat er in oktober 2005 opnieuw een helderheidspiek te zien zou moeten zijn. En toen die inderdaad werd waargenomen en in de modelberekeningen verwerkt kon worden, rolde er een heel precieze voorspelling uit voor de tweede helderheidstoename van de huidige dubbele piek: 13 september 2007. In Austin presenteerde Valtonen de resultaten van een grootscheepse waarnemingscampagne, en meldde hij met gepaste trots dat de voorspelling precies is uitgekomen.

Die campagne had overigens nog heel wat voeten in aarde. Als een hemellichaam de hele nacht zichtbaar is, kun je het met drie telescopen verspreid over de aardbol continu in het oog houden. Maar het sterrenbeeld Kreeft waarin de quasar zich bevindt, komt in september kort voor de zon op, dus OJ287 is hooguit een uur lang te zien, ongeacht je plaats op aarde. Om die reden werden ongeveer dertig telescopen in stelling gebracht, waaronder grote instrumenten op de internationale sterrenwacht op La Palma, maar ook semi-professionele amateurkijkers.

In sterrenkundige kringen wordt enthousiast gereageerd op de Finse resultaten. De uitkomst van de voorspelling wordt gezien als een geloofwaardige bevestiging van Valtonens dubbelezwartegatmodel. “Juist omdat het systeem niet strikt periodiek is, door de baanverandering van het dubbele zwarte gat, vallen veel andere verklaringen die je zou kunnen bedenken af,” aldus theoretisch astrofysicus Bram Achterberg van de Universiteit Utrecht.

De twee zwarte gaten in de quasar OJ287 draaien in 12 jaar tijd om elkaar heen. Daarbij duikt een van de zwarte gaten snel achtereen twee keer door de accretieschijf van de ander heen. De verstoring zorgt dat er extra veel materiaal in het grootste zwarte gat valt, wat weer een uitbarsting van straling tot gevolg heeft.

Ruggesteun voor relativiteit

Volgens de nieuwste berekeningen is het superzware zwarte gat in OJ287 zelfs nog zwaarder dan aanvankelijk werd gedacht: 18 miljard zonsmassa’s. De begeleider weegt ‘slechts’ honderd miljoen zonsmassa’s – altijd nog dertig keer zoveel als het zwarte gat in de kern van ons eigen Melkwegstelsel. Door die enorme massa’s is het OJ287-systeem veel ‘relativistischer’ dan de dubbelpulsar. “Het is fantastisch dat we daardoor in staat zijn om Einsteins relativiteitstheorie in een zeer extreme omgeving te testen,” zegt zwartegatendeskundige Craig Wheeler van de Universiteit van Texas in Austin.

Want dat wil Valtonen wel even gezegd hebben: zonder zwaartekrachtgolven en baankrimp zou de meest recente helderheidspiek pas begin oktober 2007 zijn opgetreden, en zonder relativistische precessie al in de eerste dagen van september. Van sommige alternatieve zwaartekrachttheorieën wijken de voorspellingen alleen onder dit soort extreme omstandigheden af van die van Einstein, en de metingen aan OJ287 vormen dan ook slecht nieuws voor enkele van die alternatieve theorieën en een belangrijke steun in de rug voor de algemene relativiteitstheorie.

Achterberg ziet wel een nadeel ten opzichte van de beroemde dubbelpulsar: “Bij de dubbelpulsar kun je de verschillende baanparameters, zoals de omlooptijd, de massa’s en de precessie direct meten, omdat pulsars als heel nauwkeurige klokken fungeren,” zegt hij. In het geval van OJ287 moeten die parameters indirect worden afgeleid uit de timing van de helderheidspieken, die optreden wanneer de begeleider door de accretieschijf van het grote zwarte gat beweegt. Achterberg: “Daar zitten nogal wat stappen tussen.”

Nauwkeurige metingen aan de dubbele pulsar (sneldraaiende neutronenster) PSR 1913+16 was in 1993 goed voor de Nobelprijs natuurkunde. De twee pulsars draaien zo dicht om elkaar heen, dat ze golven veroorzaken in het weefsel van tijd-en-ruimte. Volgens Einsteins relativiteitstheorie verliezen ze daardoor energie en gaan ze steeds dichter en sneller om elkaar draaien.

Natuurlijk hebben Valtonen en zijn collega’s ook uitgerekend wanneer de volgende helderheidsuitbarsting van OJ287 verwacht mag worden. Dat is pas rond 15 januari 2016 het geval. Volgens het model beweegt de begeleider dan op relatief grote afstand van het grote zwarte gat door de accretieschijf, zoals dat ook in 1957 en 1964 het geval was. Gedetailleerd onderzoek aan deze historische uitbarstingen, verricht door Hayden Rampadarath die nu verbonden is aan de Leidse Sterrewacht, leidt hopelijk tot een nauwkeurige voorspelling. Er is in elk geval nog ruim zeven jaar tijd om daar aan te werken.

De hoop is ook dat er tegen die tijd gevoelige detectoren voor zwaartekrachtgolven in bedrijf zijn, zoals de Europees-Amerikaanse LISA-detector (Laser Interferometer Space Antenna), of een kleinere voorloper. Daarmee zou het mogelijk moeten zijn om de zwaartekrachtgolven van het relativistische systeem direct waar te nemen. En misschien lukt het met gevoelige ruimtetelescopen ook wel om op een andere manier het dubbelkarakter van het superzware zwarte gat in OJ287 te bevestigen, bijvoorbeeld door een kenmerkende invloed op de snelheidsverdeling van sterren in de kern van het sterrenstelsel.

Overigens hebben sterrenkundigen niet eeuwig de tijd om dit bizarre dubbele zwarte gat te bestuderen. Over minder dan duizend omlopen – ruwweg tienduizend jaar – is de baan zo sterk gekrompen dat de twee zwarte gaten zullen versmelten, onder het uitzenden van een extreem krachtige puls van zwaartekrachtgolven. Daarna is er – als het goed is – niets meer terug te vinden van de twaalfjarige periode. Einsteins klus is dan geklaard.

Zie ook:

Zwaartekrachtsgolven

Dit artikel is een publicatie van Allesoversterrenkunde.nl.
© Allesoversterrenkunde.nl, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 juni 2008

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.