Naar de content

Verdienen zwarte gaten alle aandacht die ze trekken?

Een artistieke impressie van een zwart gat in de ruimte.
Een artistieke impressie van een zwart gat in de ruimte.
Caltech/R. Hurt (IPAC)

Zwarte gaten hebben een belangrijke rol in de communicatie over astronomisch onderzoek. Het is bijna zo robuust als een natuurwet: als je het over zwarte gaten hebt dan trek je de aandacht. Maar hoe groot is hun rol in de kosmos nu écht? NEMO Kennislink zocht het uit.

Van kosmische alleseter tot kolossale kosmische dynamo, van monster tot een zwaar en exotisch object. Ook op NEMO Kennislink wemelt het van spannende synoniemen voor zwarte gaten.

Je kunt stellen dat zwarte gaten een hoofdrol spelen in het nieuws over de kosmos. Journalisten pikken de talrijke wetenschappelijke onderzoeken vaak op. Bovendien krijgt het onderzoek óók veel aandacht en waardering binnen de wetenschappelijke wereld: afgelopen maand wonnen Roger Penrose, Reinhard Genzel en Andrea Ghez de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun respectievelijk theoretische onderzoek en observatie van een zwart gat.

Wij vroegen ons op de redactie van NEMO Kennislink af wat de werkelijke rol van het zwarte gat in de kosmos is. Is het slechts een vreemde snuiter die vanwege zijn rare trekjes onevenredig veel aandacht trekt? Om die vraag te beantwoorden spraken we met twee Nederlandse onderzoekers. We ontdekten dat zwarte gaten een centralere rol in de kosmos hebben dan je misschien verwacht.

De geschiedenis van het zwarte gat

1784: John Mitchell speculeert over objecten die zo zwaar zijn dat ze zelfs het licht opslokken.
1915: Albert Einstein publiceert zijn algemene relativiteitstheorie die de zwaartekracht op een revolutionair nieuwe manier beschrijft.
1915: Onder andere Karl Schwarzschild berekent dat de ‘ontsnappingssnelheid’ van een zeer zwaar object groter is dan de lichtsnelheid.
1931: Subrahmanyan Chandrasekhar stelt dat er geen natuurkracht is die voorkomt dat een zeer zware ster uiteindelijk ‘instort’ onder invloed van zijn eigen zwaartekracht.
1960: Roger Penrose en Stephen Hawking laten zien dat zwarte gaten wellicht meer zijn dan een puur theoretisch concept.
1974: Astronomen ontdekken een zeer compacte en intense bron van radiostraling in het hart van de Melkweg. ‘Sagittarius A*’ zal later de plek van een zwaar zwart gat blijken.
1998: Andrea Ghez concludeert op basis van waarnemingen van sterren dat het hart van de Melkweg een zwart gat van miljoenen zonsmassa’s bevat.
2015: Voor het eerst detecteren astronomen zwaartekrachtgolven afkomstig van twee botsende zwarte gaten, twee jaar later ontvangen ze de Nobelprijs.
2019: Astronomen presenteren de eerste ‘foto’ van een zwart gat, gemaakt door een wereldwijd netwerk van radiotelescopen.
2020: Nobelprijs voor de Natuurkunde gaat naar theoretisch en observationeel onderzoek aan zwarte gaten.

Centrale rol

Laten we als startpunt het onderzoek nemen waarmee onderzoekers Reinhard Genzel en Andrea Ghez afgelopen maand de Nobelprijs voor de Natuurkunde wonnen. Zij hielden vanaf 1995 (onafhankelijk van elkaar) over een tijd van zo’n twintig jaar tientallen sterren in de gaten in het zeer ‘dichtbevolkte’ centrum van de Melkweg.

Het bleek dat een aantal sterren merkwaardig bewegen. Een ster die de boeken ingaat als ‘S2’ maakt in twintig jaar tijd bijna een volledige ronde om een ogenschijnlijk leeg punt in de ruimte, inclusief een opmerkelijke haarspeldbocht. Wat bracht deze zware ster uit koers? De betrokken wetenschappers konden niet anders dan concluderen dat er zich op deze plek een zwaar zwart gat van maar liefst vier miljoen zonsmassa’s bevindt. De intense bron van radiostraling die al in de jaren 70 op deze plek werd ontdekt, deed wetenschappers al langer vermoeden dat hier een zeer energierijk object aan het werk was.

Over een periode van twintig jaar maakten de astronomen Reinhard Genzel en Andrea Ghez opnames van het centrum van de Melkweg. Ze zagen een aantal sterren om een schijnbaar leeg punt in de ruimte draaien.

Een beeld van het zwarte gat in het sterrenstelsel Messier 87. Het werd gemaakt door radiotelescopen van de Event Horizon Telescope.

 EHT Collaboration/A. Broderick et al.

Het centrum van onze Melkweg – een sterrenstelsel met honderden miljarden sterren waaronder onze zon – huist een ultrazwaar zwart gat. En de Melkweg blijkt geen uitzondering te zijn. Er zijn aanwijzingen dat vrijwel ieder sterrenstelsel een groot zwart gat in het centrum heeft. Afgelopen jaar publiceerden wetenschappers waaronder Heino Falcke van de Radboud Universiteit de allereerste ‘foto’ van zo’n zwarte gat, in het hart van sterrenstelsel Messier 87.

Er is steeds meer bewijs dat de zwarte gaten vanuit deze positie een grote invloed hebben op hun sterrenstelsel. Dat gebeurt onder andere door het uitspuwen van grote hoeveelheden materie en energierijke straling. Dat lijkt wellicht een vreemde eigenschap voor een object dat alles opslokt, maar feit is dat de meeste materie die een zwart gat aantrekt terechtkomt in een snel draaiende ring eromheen. Dat drukt de materie samen en turbulentie in de schijf zorgt voor een intense verhitting van het materiaal dat fel oplicht. Die straling blaast materie in de omgeving juist weer weg. Ook blaast het zwarte gat invallende materie door niet geheel duidelijke redenen in twee tegenovergestelde straalstromen de ruimte in. Dit veroorzaakt enorme ‘pluimen’ van gas in de ruimte die soms groter zijn dan het sterrenstelsel zelf.

Verschillende opnames van het sterrenstelsel NGC 4261. Links is het bolvormige sterrenstelsel te zien (wit, in het midden) met aan de boven- en onderkant een uitstroom van gas (geel/oranje) die met radiotelescopen zichtbaar is. Ruimtetelescoop Hubble wist in te zoomen op het centrum van het sterrenstelsel (rechter opname), waar een grote schijf van materie te zien is. In het midden zit hoogstwaarschijnlijk een zwaar zwart gat.

 Wikimedia Commons, HST/NASA/ESA via publiek domein

Leo Burtscher is astronoom van de Universiteit Leiden en onderzoekt een van de plekken waar zich zware zwarte gaten ophouden: zogenoemde ‘actieve galactische centra’ midden in sterrenstelsels. Deze plekken zijn zo helder dat ze door vrijwel het hele universum zichtbaar zijn. Astronomen hebben sterke aanwijzingen dat zwarte gaten van miljoenen of zelfs miljarden keren de massa van de zon hier een essentiële rol hebben. “We kennen geen ander mechanisme dat in staat is om zoveel energie te produceren”, zegt hij. “Je kunt nog denken aan extreem heldere sterren, maar die schieten een factor tien tekort als je het vergelijkt met samengedrukte materie in een schijf om een zwart gat.”

Burtscher vertelt hoe zo’n zwart gat een heel sterrenstelsel kan domineren. Via intense straling warmt het materie in het sterrenstelsel op en dat lijkt de vorming van nieuwe sterren te stoppen, een proces dat afhankelijk is van koele gas- en stofwolken die door de zwaartekracht ‘instorten’. Een te hoge temperatuur verhindert dat. Een ander mechanisme is het simpelweg wegblazen van materie waaruit nieuwe sterren ontstaan. Via deze twee mechanismen houdt een zwart gat een heel sterrenstelsel ‘in de tang’.

Had het centrale zwarte gat in de Melkweg Sagittarius A* het ontstaan van de zon en de aarde kunnen verhinderen? “Misschien wel, als Sagittarius A* veel actiever was geweest”, zegt Burtscher. Hij benadrukt dat de invloed van actieve zwarte gaten nog steeds niet helemaal helder is. “Hoe erg de ‘uitstroom’ van materie en straling is voor het sterrenstelsel is onderwerp van discussie. Sommige astronomen zeggen: goed, dit effect bestaat maar aangezien de meeste massa al in sterren zit heeft het niet zoveel invloed. Daarnaast is het niet precies duidelijk hoe lang die centra actief zijn. Wellicht is dat maar voor korte periodes.”

Er lijkt ook een relatie te bestaan tussen de massa van het centrale zwarte gat en de verdeling én snelheid van de miljarden sterren in dat stelsel. “Je zou zeggen dat deze eigenschappen weinig met elkaar te maken hebben”, zegt Burtscher. “Ten opzichte van het sterrenstelsel is een zwart gat piepklein. Het was onder andere deze relatie die in de jaren 2000 leidde tot het idee dat een zwart gat invloed heeft op het hele sterrenstelsel.”

Impressie van zwaartekrachtgolven van twee om elkaar draaiende zwarte gaten. Deze beweging brengt de ruimtetijd aan het trillen, als ware het een vijveroppervlak waar je een steen in gooit. De golven reizen met de lichtsnelheid door het universum.

 LIGO/T. Pyle met toestemming

De show stelen

Waar zwarte gaten ook de spreekwoordelijke ‘ster’ van hun vakgebied zijn, is op het gebied van zwaartekrachtgolven. Dit relatief nieuwe onderzoek trekt de laatste jaren veel aandacht. In 2015 detecteerden wetenschappers voor het eerst de zwaartekrachtgolven van twee botsende zwarte gaten. Dat lukte met de extreem gevoelige LIGO-detectoren in de Verenigde Staten. In 2017 ontvingen de betrokken wetenschappers hiervoor de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

In zekere zin stelen zwarte gaten hier de show van een heel ánder type object in het universum, de zogenoemde neutronenster. Dat is (net als veel ‘lichte’ zwarte gaten) een restant van een opgebrande ster. Bij een gewelddadige botsing van neutronensterren ontstaan meetbare golven in de ruimtetijd. Er zijn waarschijnlijk veel meer botsingen tussen neutronensterren dan tussen zwarte gaten, zegt Sarah Caudill. Zij is astronoom van het Amsterdamse Nikhef-instituut en professor aan de Universiteit Utrecht. “Dat we zoveel zwarte gaten zien komt simpelweg omdat ze een veel sterker signaal afgeven”, zegt ze. Als je de ruimtetijd vergelijkt met een vijveroppervlak waarin golven ontstaan, dan veroorzaken zwarte gaten hogere golven dan neutronensterren. Caudill haalt een recente catalogus aan waarin zij en collega’s 39 nieuwe zwaartekrachtgolf-evenementen presenteren: 38 keer ging het om zwarte gaten, slechts één keer was het een botsing tussen neutronensterren.

De zwarte gaten die Caudill en collega’s ‘horen botsen’ zijn klein in vergelijking tot de eerder genoemde exemplaren in de centra van sterrenstelsels, met een massa van enkele tot enkele honderden keren de massa van onze zon. De precieze vorm van het golfsignaal – als je het als geluid afspeelt klinkt het als een soort tsjirp – vertelt de astronomen vrij precies hoe zwaar botsende zwarte gaten zijn, hoe ze om elkaar heen wentelen en hoe ver ze van ons af staan. Dat vormt naast de eerder beschreven methodes een geheel nieuwe manier om zwarte gaten te onderzoeken.

Het vinden van eigenschappen van zwarte gaten diep in het universum klinkt behoorlijk abstract. Heeft de argeloze aardling hier nog iets aan? Volgens Caudill wel. Het onderzoek naar zwarte gaten geeft namelijk ook antwoord op veel bredere wetenschappelijke vragen. “Nu we steeds meer zwarte gaten detecteren kunnen we statistisch onderzoek doen en het grotere plaatje bekijken: waar vormen zwarte gaten zich in de ruimte, en op welk punt in de geschiedenis van het heelal: net na de oerknal of pas later? Dit vertelt ons iets over de ontwikkeling van het universum.”

Concurreren op budgetten

Het onderzoeksveld van zwaartekrachtgolven is de afgelopen jaren enorm succesvol geweest. Het heeft veel aandacht en ook onderzoeksgelden aangetrokken. “Misschien zijn astronomen buiten dit veld daar wel een beetje jaloers op, want zij concurreren op dezelfde budgetten”, zegt Caudill. “En toch vullen bijvoorbeeld neutrinodetectoren, observatoria voor kosmische straling en zwaartekrachtgolfdetecties elkaar goed aan. Al deze manieren van waarnemen zijn nodig en groeien uiteindelijk naar elkaar toe.” Ze doelt onder andere op de eerste keer dat astronomen zwaartekrachtgolven van botsende neutronensterren detecteerden. Wereldwijd werden er razendsnel tientallen observatoria naar deze explosie gedirigeerd.

De aandacht voor zwarte gaten is terecht volgens Burtscher. Als hij een lezing geeft, hoeft hij maar over dit onderwerp – óf exoplaneten – te beginnen en hij heeft de volle aandacht van zijn publiek. En zoals hij hierboven al uitlegde hebben zwarte gaten volgens hem een centrale rol in de astronomie. Ook Caudill beaamt dat zwarte gaten veel aandacht trekken in de media en in het onderzoeksveld. “Ze zijn interessant, mysterieus en eng”, zegt ze. Maar ze vermoedt dat die aandacht in de komende jaren misschien van aard verandert.

“We snappen steeds meer van zwarte gaten en krijgen gereedschappen om de natuurkunde van zwarte gaten aan de tand te voelen. In die zin worden ze steeds minder mysterieus. Zo’n verandering merk ik al bij wetenschappers in ons onderzoeksveld. Toen we in 2015 de eerste zwaartekrachtgolven detecteerden was iedereen ontzettend opgewonden. Alles werd op alles gezet om zeker te zijn dat de signalen echt waren en geen fout van de meetapparatuur. Nu in 2020 publiceren we catalogi met tientallen van dit soort detecties. Zwaartekrachtgolven van zwarte gaten zijn voor ons al een beetje normaal geworden.”

Zwarte gaten, donkere materie en de informatieparadox

In meer onderzoeksgebieden hebben zwarte gaten een rol, of kunnen dat krijgen. Ze zouden interactie met de zogenoemde donkere materie kunnen hebben, het spul dat ‘klassieke’ telescopen niet waarnemen maar wat er op basis van bewegingen van sterrenstelsel wel moet zijn. Sommige astronomen hopen dat interacties van zwarte gaten met donkere materie licht kunnen schijnen op de verdeling van donkere materie.

In weer een ander onderzoeksgebied discussiëren wetenschappers al jaren over de vraag wat er gebeurt met de materie die in een zwart gat verdwijnt. Volgens de relativiteitstheorie verdwijnt het voor eeuwig. De quantummechanica stelt dat je de ‘informatie’ van de invallende materie niet zomaar kan laten verdwijnen. Lees er meer over in dit artikel op NEMO Kennislink.

ReactiesReageer