Je leest:

Meer helderheid over zwarte gaten

Meer helderheid over zwarte gaten

Auteur: | 1 mei 2003

Dankzij betere observatiemogelijkheden geven de zwarte gaten in de ruimte hun geheimen langzaam prijs. Hier en daar slaat men zelfs al aan het speculeren over wat er zich aan gene zijde van die horizonten moet bevinden.

Zwarte gaten staan al vele jaren hoog in de wetenschaps-toptien, zowel bij het grote publiek als bij veel sterrenkundigen zelf. Een gebied in de ruimte waar de zwaartekracht zo sterk is dat alles erin verdwijnt, terwijl er zelfs geen licht meer uit kan ontsnappen – dat spreekt tot de verbeelding, niet alleen die van de sciencefictionliefhebbers en Hollywoodproducers, maar ook die van de boekhouder en de groenteboer. Zwarte gaten zijn de trekpleisters van de astronomie.

Het idee dat er ‘donkere sterren’ zouden bestaan die zo zwaar zijn dat er geen licht uit kan ontsnappen, werd in 1783 al geopperd door de Engelse astronoom John Michell. Dertien jaar later kwam de Fransman Pierre Simon de Laplace tot dezelfde conclusie. Zowel Michel als Laplace gingen ervan uit dat lichtdeeltjes (fotonen) op dezelfde manier door de zwaartekracht zouden worden beïnvloed als materiedeeltjes: als de ontsnappingssnelheid van een ster – de snelheid die je nodig hebt om aan het zwaartekrachtveld te ontsnappen – hoger is dan de lichtsnelheid, zou het licht van de ster ons nooit kunnen bereiken.

Illustratie van een zwart gat

Bron: Western Michigan University

Donkere eenrichtingsdeur

De werkelijkheid is een stuk ingewikkelder. Zwarte gaten vormen een uitvloeisel van Einsteins algemene relativiteitstheorie en wie de natuurkundige achtergronden wil begrijpen, moet zich verdiepen in de mysterieuze wereld van de ruimtekromming, tijddilatie en gravitationele roodverschuiving. De eindconclusie blijft echter overeind: als je maar voldoende materie in een kleine ruimte perst, ontstaat er vanzelf een zwart gat – een bodemloze kosmische put, een donkere eenrichtingsdeur in het heelal.

Je moet er wel flink voor persen. De zon (bijna anderhalf miljoen kilometer in diameter) zou je moeten samenpersen tot een bal met een doorsnee van een kilometer of drie. De aarde moet ineenkrimpen tot een knikker van negen millimeter wil zij veranderen in een zwart gat. Pas sinds de jaren zeventig weten we dat de natuur er soms in slaagt materie metterdaad zo sterk samen te persen. Tegenwoordig wordt aan het bestaan van zwarte gaten door vrijwel niemand meer getwijfeld.

Maar, zo luidt de standaard tegenwerping, je kunt zwarte gaten niet zien, dus hoe weet je zeker dat ze bestaan? Ook daar had John Michell ruim twee eeuwen geleden al een antwoord op: een ander hemellichaam dat in een baan om het zwarte gat draait, kun je misschien wél zien en uit de baanbeweging van zo’n dubbelsysteem valt de aanwezigheid van het zwarte gat af te leiden.

Indirecte aanwijzingen

Zulke relatief kleine zwarte gaten, met een massa van enkele zonsmassa’s, ontstaan bij supernova-explosies van zware sterren die aan het eind van hun leven zijn gekomen. De kern van de ster stort daarbij ineen tot een supercompact object: meestal een zogeheten neutronenster – een bikkelharde bal van gedegenereerde materie die zwaarder is dan de zon maar niet veel groter dan een grote stad – maar soms, als de beginmassa hoog genoeg is, tot een heus zwart gat.

Het compacte object zelf is niet te zien, maar als het zich in een dubbelster bevindt, treden er af en toe uitbarstingen van röntgenstraling op. Die ontstaan waarschijnlijk wanneer er plotseling veel gas van de gewone ster wordt opgezogen, dat daarbij zeer sterk wordt versneld en verhit.

Hoe weet je of zo’n röntgendubbelster een zwart gat of een neutronenster bevat? Tot nu toe leidden sterrenkundigen dat indirect af uit de massa. Mike Garcia en Ramesh Narayan, twee astronomen van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, presenteerden op de AAS- bijeenkomst in San Diego echter andere overtuigende aanwijzingen dat sommige röntgendubbelsterren een zwart gat herbergen en geen neutronenster. Tussen de krachtige röntgenuitbarstingen door stroomt er ook altijd wel wat sterrengas naar het compacte object. Bij een neutronenster komt dat opgezogen sterrengas met grote snelheid op het oppervlak terecht, waarbij een extra hoeveelheid röntgenstraling vrijkomt. Bij een zwart gat daarentegen verdwijnt het gas gewoon uit het zicht, zonder al te veel stralingsrumoer.

Met het Amerikaanse Chandra X-ray Observatory, een grote ruimtetelescoop voor röntgenstraling die anderhalf jaar geleden werd gelanceerd, hebben Garcia, Narayan en hun collega’s dit verschil in gedrag voor het eerst aangetoond: röntgendubbelsterren waarbij het compacte object heel zwaar is, zenden in de rustige fase ongeveer honderd maal zo weinig röntgenstraling uit als röntgendubbelsterren die een minder zware veelvraat herbergen. Volgens Narayan is hiermee het bestaan van de ‘horizon’ van een zwart gat onomstotelijk bewezen. ‘Het is alsof je aan de oever van een snel stromende rivier staat’, zegt hij. ‘Bij een zwart gat verdwijnt het water over de rand van een waterval; bij een neutronenster wordt het tegengehouden door een dam, met alle turbulentie van dien.’

De Chandra-satelliet heeft met zijn enorm scherpe blik ook een revolutie ontketend in het onderzoek aan zwarte gaten. Er gaat geen astronomisch congres voorbij of er worden wel weer nieuwe Chandra-resultaten gepresenteerd met het toverwoord ‘black hole’ in de titel. Maar ook de Europese tegenhanger van Chandra, het XMM-Newton observatorium, laat zich niet onbetuigd. XMM-Newton onderscheidt weliswaar iets minder details dan Chandra, maar is wel veel gevoeliger en heeft betere spectroscopen aan boord waarmee de energieverdeling van de waargenomen röntgenstraling onderzocht kan worden. Dat levert weer veel informatie op over de samenstelling en de dynamica van het opgezogen hete gas.

Extreem hoge rotatiesnelheid

Daarbij gaat het meestal niet om stellaire zwarte gaten in het Melkwegstelsel, maar om de superzware zwarte gaten die zich in de kernen van veel sterrenstelsels bevinden. Die enorme massaconcentraties – soms wel honderden miljoenen malen zo zwaar als de zon – vormen in zekere zin de ‘zwarte motor’ van veel actievere sterrenstelsels die grote hoeveelheden radio- en röntgenstraling uitzenden. Net als bij de stellaire zwarte gaten wordt die straling niet uitgezonden door het gat zelf – dat is immers zwart – maar door de materie in de onmiddellijke omgeving. Die hoopt zich op in een snel ronddraaiende schijf, waarin heet gas langzaam maar zeker naar binnen spiraliseert. Langs de draaiingsas van zo’n accretieschijf worden soms twee krachtige bundels van gas de ruimte in geslingerd. Waar die bundels met de omringende materie in botsing komen, ontstaat dan de radiostraling. De bekendste voorbeelden van zulke actieve sterrenstelsels zijn de zogeheten quasars, die zoveel energie produceren dat ze vanaf de aarde gemakkelijk waarneembaar zijn, ondanks het feit dat ze vaak op vele miljarden lichtjaren van ons af staan.

Galactisch kannibalisme

Hoe ontstaan superzware zwarte gaten? Nog niet zo lang geleden werd algemeen aangenomen dat ze het resultaat vormden van galactisch kannibalisme: het ene sterrenstelsel zou het andere opslokken en wanneer je de zwaartekracht zijn werk maar zou laten doen, zouden er in de kern vanzelf voldoende sterren en gaswolken samensmelten voor de vorming van een steeds groter worden zwart gat. De nieuwste waarnemingen doen echter vermoeden dat de vorming van een superzwaar zwart gat een onvermijdelijk bijverschijnsel is van het ontstaan van een sterrenstelsel.

Vorig jaar maakten Amerikaanse sterrenkundigen bekend dat ze een opmerkelijke relatie hadden gevonden tussen de massa van een superzwaar zwart gat en bepaalde eigenschappen van het sterrenstelsel waarin het zwarte gat zich bevindt. John Kormendy van de universiteit van Texas in Austin ontdekte bijvoorbeeld dat de massa van het zwarte gat altijd 0,2 procent bedraagt van de massa van de ‘centrale verdikking’ van het sterrenstelsel – de enigszins bolvormige verdeling van vooral oude sterren die zich in de kernen van de meeste sterrenstelsels bevindt. Laura Ferrarese en Karl Gebhardt van de universiteit van Californië ontdekten een verband tussen de massa van het zwarte gat en de snelheidsverdeling van de sterren in de meer naar buiten gelegen delen van het sterrenstelsel. Al die verbanden doen vermoeden dat de superzware zwarte gaten niet later in de evolutie van sterrenstelsels ontstaan, maar een onlosmakelijk bijproduct van hun ontstaan vormen.

Aan het bestaan van zwarte gaten in alle soorten en maten wordt niet langer getwijfeld. Wat ooit als een wiskundig curiositeit van Einsteins algemene relativiteitstheorie werd beschouwd, blijkt niet meer weg te denken uit de moderne astrofysica. En dankzij nieuwe, gevoelige telescopen op de grond en in een baan om de aarde weten sterrenkundigen hun mysterieuze trekpleisters steeds verder te ontraadselen. Niet dat zwarte gaten binnenkort hun aura van geheimzinnigheid zullen verliezen. Nu er meer bekend is over hun ontstaan en over het gedrag van materie in hun directe omgeving, verplaatsen de speculaties zich naar gene zijde van de horizon. Wat gebeurt er met materie die de eenrichtingsdeur van een zwart gat passeert? Staan zwarte gaten via een tunnel door de hyperruimte in verbinding met witte gaten op een geheel andere plaats in ruimte en tijd? Is het mogelijk een zwart gat om te bouwen tot een tijdmachine? Of staat een geboorte van een zwart gat in ons heelal misschien gelijk aan de oerknal waarmee een ander heelal tot leven komt? Voldoende stof tot nadenken en voldoende reden om af en toe even van slag te raken.

Dit artikel is eerder verschenen in nummer 3 uit de jaargang 2003 van het blad Archimedes.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Archimedes.
© Archimedes, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 mei 2003

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.