De meest bijzondere vondst van een eeuw onderzoek naar sterrenstelsels, is dat sommige van hen actief zijn, een eufemistische uitdrukking voor gebeurtenissen met een intensiteit die het menselijk voorstellingsvermogen volstrekt te boven gaat.

Sterrenstelsels zijn voor het heelal wat de cel is voor het lichaam: fundamentele bouwstenen. Enkele procenten van alle sterrenstelsels zijn actieve sterrenstelsels: hun centra produceren elektromagnetische straling die een exceptioneel hoge intensiteit vertoont over het gehele elektromagnetische spectrum – van radiogolven tot röntgen- en gammastraling.

Sterren ontlenen hun energie, net als waterstofbommen, aan kernfusie. Dat is een dusdanig wild en ontembaar proces, dat het hier op Aarde ondanks peperdure en langdurige pogingen niet lukt om die energiebron beheersbaar te maken. Toch is kernfusie niet efficiënt genoeg om de intense activiteiten in de centra van actieve sterrenstelsels te verklaren. Voor dergelijke apocalyptische gebeurtenissen heeft de theoretische natuurkunde maar één mogelijke oorzaak tot haar beschikking: een zwart gat.

Kosmologen schrijven het gedrag van actieve sterrenstelsels dan ook toe aan een gigantisch zwart gat dat als een hongerige spin in zijn web van sterren verblijft en met zijn onweerstaanbare gravitatiekracht gigantische stromen materie opzuigt. De materie gaat zijn onafwendbare lot achter de waarnemingshorizon van het zwarte gat tegemoet met buitengewoon hoge snelheden en versnellingen, en verkrijgt daardoor een zeer hoge temperatuur. Als gevolg van de temperatuur en de heftige beweging gaat de materie gloeien, straling uitzenden, niet alleen in het zichtbare gebied, maar in het gehele spectrum.

Tot de jaren 1960 waren zwarte gaten niet meer dan een theoretische curiositeit, maar dat veranderde toen astronomen zich realiseerden dat er eigenlijk maar één plausibele verklaring voor het heftige gedrag van actieve sterrenstelsels bestaat. Een zwart gat in het centrum van een actief sterrenstelsel zuigt alles op wat in de buurt komt. Dit proces van accretie kan de waarnemingen verklaren, maar dan nog dient het een buitengewoon massief zwart gat te zijn: om de waargenomen activiteit te duiden, moet het duistere object een massa van een miljoen tot een miljard zonsmassa’s tellen.

De aard van quasars

Al in de 18e eeuw begon de Franse astronoom Charles Messier (1730-1817) met het catalogiseren van sterren en nebulae (nevels). De aard van de nebulae was nog volstrekt onduidelijk; elk wazig hemelobject viel eronder. Pas in de 20e eeuw werd duidelijk dat veel van deze nevels clusters van sterren waren, vergelijkbaar met onze eigen Melkweg. Met de technische ontwikkeling van de zend- en ontvangsttechniek in de Tweede Wereldoorlog bleek dat sommige sterrenstelsels krachtige zenders van radiogolven zijn.

Op foto’s gemaakt door gewone lichttelescopen zagen deze sterrenstelsels er normaal uit. De emissie van radiogolven was raadselachtig, omdat de natuurkundige theorieën voorspellen dat een verzameling sterren en gaswolken onder normale omstandigheden nooit radiogolven met zo’n hoge intensiteit uitzendt.

In de jaren 1960 werd het mysterie groter door de ontdekking van quasars. Quasars zijn hemelobjecten die een zeer grote roodverschuiving hebben. Dat betekent dat ze zich met grote snelheid van ons af bewegen, wat een gevolg is van het feit dat het heelal uitdijt. Hoe groter de afstand, hoe sneller de hemelobjecten zich verwijderen. Quasars staan dus bijzonder ver weg. Het feit dat ze toch zichtbaar zijn, houdt in dat ze werkelijk extreem helder moeten zijn.

De aard van quasars (de naam staat voor quasistellar radio sources) is lange tijd onduidelijk geweest. Uiteindelijk bleek dat het zeer verafgelegen actieve sterrenstelsels zijn. De lichtpuntjes die we zien op gewone telescoopfoto’s, zijn enkel de centra van de quasars. Die centra zijn zo helder dat de rest van het sterrenlicht dat er vandaan komt, er bij in het niet valt. Al snel bleek dat niet alle quasars sterke bronnen van radiogolven zijn. Tegenwoordig zoekt men de verklaring in hun oriëntatie ten opzichte van de Aarde.

Het probleem met zwarte gaten is dat je ze niet kunt zien. Ze zuigen immers alles naar zich toe, inclusief de lichtstralen die hun aanwezigheid zouden moeten verklappen. De meest directe manier om een zwart gat waar te nemen, is aan de hand van de krachtige gravitatiewerking. Materie in een sterrenstelsel beweegt voornamelijk onder de invloed van de sterren en eventuele `donkere materie’ in het stelsel. Bevindt zich in het centrum van het sterrenstelsel echter een zwaar zwart gat, dan zou je dat moeten kunnen zien omdat de sterren dichtbij het centrum dan veel sneller bewegen dan je zou verwachten. Snel bewegende sterren of gaswolken wijzen dus op de aanwezigheid van een zwart gat.

Kosmische waarnemingen

Het waarnemen van dergelijke bewegingen buiten ons eigen Melkwegstelsel is echter niet eenvoudig. Hier op Aarde zorgt de atmosfeer voor te veel turbulentie om echt scherpe telescoopbeelden van andere sterrenstelsels te maken. Om dat euvel te omzeilen is er de Hubble-ruimtetelescoop, die ver buiten de storende aardatmosfeer als satelliet rondom de Aarde cirkelt. De Hubble levert afbeeldingen van de kosmos die tien keer zo scherp zijn als die van aardse telescopen, en heeft daarmee gezorgd voor een door braak in de speurtocht naar supermassieve zwarte gaten.

Op dit moment zijn er zo’n twintig sterrenstelsels waarvan is vastgesteld dat zich in het centrum een zwart gat bevindt. Aan de materiebewegingen in het centrum kan niet alleen de aanwezigheid van een zwart gat worden afgeleid, maar ook welke massa het ongeveer heeft. Het blijkt dat de massa van de zwarte gaten evenredig is met die van het sterrenstelsel waarin ze wonen: hoe groter het stelsel, hoe zwaarder het zwarte gat. Hun massa bedraagt ongeveer een half procent van de totale massa van het sterrenstelsel.

Uiteraard zijn de kosmische waarnemingen cruciaal om gewaagde speculaties te verwerpen of om te zetten in min of meer vastgestelde feiten. Astronomen wachten dan ook in spanning op de opvolger van de Hubble, de Next Generation Space Telescope, al zal het zeker nog tot 2008 duren voordat NASA die lanceert.

Onlangs is echter wel een reuzensprong gemaakt in het kosmisch waarnemingsvermogen, dit keer niet in het zichtbare, maar in het röntgengebied. In 1999 lanceerde NASA de Chandra, het röntgenobservatorium dat als satelliet röntgenbronnen in het universum zal waarnemen. Het belang daarvan mag blijken uit het feit dat röntgenwaarnemingen vanaf de Aarde onmogelijk zijn omdat onze atmosfeer -gelukkig -röntgenstraling tegenhoudt (zie ook N&T 1998, 12 over Chandra, die toen nog AXAF heette).

Een van de hangende kwesties waarin de Chandra-waarnemingen duidelijkheid moeten brengen, is of de zwarte gaten roteren of niet. Mogelijk kan de Chandra dat zien aan de röntgenstraling die wordt uitgezonden door ijzeratomen in de buurt van het zwarte gat.

ARISE

Arise (Advanced Radio Interferometry between Space and Earth) is een project van Nasa. Een radiotelescoop met een doorsnede van 25 meter bevindt zich in een sterk elliptische baan rond de Aarde (de hoogte varieert van vijfduizend tot vijftigduizend kilometer). Samen met een groot aantal radiotelescopen op de grond observeren zij zwarte gaten. Omdat de telescopen zich op een zeer grote onderlinge afstand bevinden, levert de techniek beelden met een zeer hoge resolutie: vijfduizend keer zo hoog als de plaatjes die de Hubble-telescoop schiet. Met het Arise-project onderzoekt NASA het gedrag van zwarte gaten.

Een prutsbolletje van enkele kilometers

Zou je op dit moment de Zon vervangen door een zwart gat met dezelfde massa, dan wordt het donker op Aarde. Verder verandert er niets. De gravitatiekracht vlakbij het zwarte zonnegat is weliswaar gigantisch sterk, maar voor de kracht die de Aarde ondervindt maakt het geen enkel verschil of de zonsmassa in een bol met een doorsnede van een dikke miljoen kilometer zit, of dat dezelfde massa zit samengeperst in een prutsbolletje van enkele kilometers groot. Wat telt, is de afstand tot het massamiddelpunt. En die is in beide gevallen hetzelfde.

Dat betekent dat de aanwezigheid van een zwart gat niet per definitie aanleiding geeft tot actieve sterrenstelsels met intense elektromagnetische straling – integendeel. Als sterren en gaswolken voldoende ver zijn verwijderd, is het heel goed mogelijk dat het zwarte gat in alle toonaarden van het spectrum zwijgt. Het maakt zich uitsluitend kenbaar door zijn zwaartekracht, want die zwijgt nooit.

Als voorbeeld onze eigen Melkweg: die is niet actief. Betekent dat, dat er geen superzwaar zwart gat in het centrum zit? Zeker niet. Aardse waarnemingen van het centrum van onze eigen Melkweg brengen rap bewegende sterren aan het licht. Astronomen nemen aan dat die rappe bewegingen te wijten zijn aan een zwart gat dat zich betrekkelijk koest houdt, maar dat niettemin een massa heeft van drie miljoen van onze Zonnen.

Iets vergelijkbaars geldt voor Messier 31, het naburige spiraalvormige sterrenstelsel in Andromeda, en voor zijn kleinere broertje Messier 32 (beide dragen nog de naam van die catalogiserende Fransman). Geen van beide sterrenstelsels is actief, en in beide zijn aanwijzingen voor de aanwezigheid van een zwart gat. Het is heel wel denkbaar dat er in álle sterrenstelsels een zwart gat zit, al is het onmogelijk om daar momenteel meer zinnigs over te zeggen. Wél zinnig is de hypothese dat de hongerige zwarte gaten in actieve sterrenstelsels na verloop van tijd zonder eten komen te zitten. Als de materie rondom het zwarte gat opraakt, blijft er een ‘gewoon’, niet-actief sterrenstelsel over. Een gewoon sterrenstelsel als het onze kan dus heel goed een actief verleden hebben, dat ophield toen het zonder benzine kwam te staan.

Uitdovende sterrenstelsels

Quasars bevestigen die hypothese van uitdovende sterrenstelsels. Bedenk immers dat het licht van quasars er miljarden jaren over heeft gedaan om bij de spiegels van de Hubble terecht te komen. Wat de Hubble ziet, is een vér verleden. Voor hemelobjecten geldt dan ook simpelweg: hun afstand in lichtjaren is hun ouderdom in jaren. Bij analyse van de waarnemingen blijkt inderdaad dat het aantal quasars toeneemt met hun ouderdom, ofwel dat er vroeger veel meer waren dan nu.

De waarnemingen vertellen dat hun aantal een miljard jaar na de oerknal op zijn hoogst was. Het universum had toen zo’n tien procent van zijn huidige ouderdom. Het is duidelijk wat er met de talrijke quasars is gebeurd die aanwezig waren toen het universum nog jong was. Zij zijn een dagje ouder geworden en hun wilde haren kwijtgeraakt. Het zijn de brave sterrenstelsels geworden die we om ons heen waarnemen. Het zwarte gat in hun centrum zit er nog steeds maar houdt zich koest.

Naast de Hubble en de Chandra bestaat er ander gereedschap om kosmische waarnemingen te doen. Zowel de Verenigde Staten als Europa bouwen momenteel observatoria om zwaartekrachtsgolven mee te detecteren. Deze golven zijn in feite rimpels in de ruimtetijd zelf, en bestaan als Einsteins algemene relativiteitstheorie correct is. Zoals elektromagnetische golven ontstaan als een elektrische lading of een magneet beweegt, zo ontstaan de zwaartekrachtsgolven bij het bewegen van massa.

Einsteins theorie voorspelt echter dat zwaartekrachtsgolven buitengewoon zwak zijn, zodat ze hun aanwezigheid pas kenbaar maken bij waarlijk heftige gebeurtenissen. Die zijn er.

Zwarte gaten in het heelal is een prachtig geïllustreerd boek dat op heldere wijze ingaat op alles wat met zwarte gaten te maken heeft. Stephen Hawking noemt de schrijvers Rees en Regelman “the world’s leading authorities on the astrophysics of black holes.” (Mitchell C. Regelman en Martin J. Rees. Zwarte gaten in het heelal, Natuur & Techniek 1997). Recent verschenen is Black holes, wormholes & time machines. De auteur behandelt in dit boek complexe onderwerpen als kwantummechanica, relativiteit, oerknal en zwarte gaten op een manier die ook voor de leek te volgen is. Zonder formules te gebruiken biedt hij toch inzicht. (JS AI-Khalili. Black holes, wormholes & time machines, 1999.) In Black holes and time warps: Einsteins outrageous legacy behandelt auteur Thorne (hoogleraar theoretische fysica aan Caltech) in ruim zeshonderd pagina’s de meest exotische fenomenen in de kosmos aangevuld met persoonlijke anekdotes. (Kip. S. Thorne. Black holes and time warps: Einsteins outrageous legacy, 1995.)

Het meest gewelddadige wat het universum wat dat betreft in petto heeft, is een botsing tussen twee sterrenstelsels. De zwarte gaten in hun centra zullen dan met elkaar botsen en in elkaar vervloeien. Dat gaat gepaard met dusdanig gigantische massaverplaatsingen, dat het hele heelal op zijn grondvesten schudt. Voordat we dat kunnen waarnemen, zal echter nog wel even duren. Het observatorium van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, genaamd LISA, staat bijvoorbeeld op de planning voor lancering over pas tien jaar. Zo blijft het nog even spannend.