www.sron.nl/v-zwarte-gaten

Zwarte gaten: Hoe zijn superzware zwarte gaten in kernen van sterrenstelsels ontstaan?  


bh0.jpg Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links
 

Wat weten we niet?

Tot de verst waarneembare objecten in het heelal behoren de zogeheten quasars. Het zijn in feite actieve kernen van jonge melkwegstelsels. In de kern bevindt zich een massief zwart gat van miljoenen zonsmassa’s. Het gat weet grote hoeveelheden gas, stof en zelfs complete sterren aan te trekken. Dat materiaal verzamelt zich in een snel draaiende schijf voordat het in het gat verdwijnt. In de schijf loopt de druk enorm op en daarom is die schijf enorm heet: het zendt een enorme hoeveelheid straling uit over bijna alle golflengtegebieden. De grote helderheid maakt dat de quasar op grote afstanden is te zien.

Nabije sterrenstelsels zoals ook ons eigen Melkwegstelsel, herbergen meestal ook een superzwaar zwart gat in de kern. Meestal is dat niet meer actief, waarschijnlijk omdat het ‘voedsel’ in de omgeving van het gat is opgeraakt. Daarom is de kern van het Melkwegstelsel een relatief zwakke bron van radiostraling en bijvoorbeeld infrarood.

Waar komen die superzware zwarte gaten vandaan? Geen idee. We kennen eigenlijk maar één manier waarop zwarte gaten kunnen worden gevormd en dat is als restant van de explosie van een zware ster. Door de explosie, die in een schil binnen de ster plaatsvindt, wordt de sterkern op elkaar gedrukt. Als de ster niet heel zwaar is, ontstaat een neutronenster. Daarin zitten de kerndeeltjes dicht opeengepakt maar ze weten de gigantische zwaartekracht te weerstaan zodat het geheel niet verder instort. Bij een zwart gat wordt dat stadium gepasseerd. De zwaartekracht is dan zodanig dat niets meer uit het gat kan ontsnappen, zelfs geen licht. De zwarte gaten die worden gevormd bij sterexplosies hebben echter massa’s van enkele zonsmassa’s. Veel minder dan wat zich in de kernen van sterrenstelsels bevindt. Hoe kom je van stellaire zwarte gaten tot superzware zwarte gaten?
Lees meer: het ontstaan van superzware zwarte gatenEen van de mogelijkheden om superzware zwarte gaten te verklaren is door aan te nemen dat zwarte gaten, als ze dicht bij elkaar in de buurt komen, kunnen samensmelten. Zware gaten zouden dan kunnen ontstaan door herhaalde versmeltingen. Als dat zo is zouden we zwarte gaten in een reeks van massa’s, en dus in een reeks van groeistadia moeten zien. En dat is helaas nauwelijks het geval. We kennen vrijwel geen voorbeelden waarbij de massa van het zwarte gat ligt in de orde van een paar honderd tot een paar duizend  zonsmassa’s.

Misschien zoeken we niet goed genoeg. Het kan ook zijn dat het aangroeiingsproces heel snel verloopt, zodat de tussenstadia zelden worden gezien. De eerste sterrenstelsels, aanwezig minder dan een miljard naar na de oerknal, lijken al superzware gaten herbergen. Dat wijst er misschien op dat het vormingsproces snel moet verlopen. Maar als je dat probeert na te spelen met een computersimulatie, gaat het aangroeien met stellaire zwarte gaten veel te langzaam. Ook een model waarbij een zwart gat via inval van gas groeit tot miljoenen zonsmassa’s, heeft problemen met te weinig tijd voor de vorming.
   omhoogomlaag

Wat weten we wel?

Zwarte gaten met duizenden zonsmassa’s kunnen misschien ontstaan uit de ineenstorting van een stercluster. En we weten dat sterrenstelsels groot worden door kleine stelsels op te slokken waarbij de kleinere zwarte gaten van die stelsels naar het gemeenschappelijke centrum moeten zinken. Zouden ze dan zo versmelten? In het sterrenstelsel NGC 6240 is met de Chandra-satelliet een dubbelpaar zware zwarte gaten gevonden. Ze zouden in de toekomst kunnen samensmelten waar ze nu heel langzaam naar elkaar toe bewegen in een spiraal. Volgens de zwaartekrachttheorie zou dit gepaard moeten gaan met het uitzenden van zwaartekrachtsgolven. Misschien kunnen we die meten?

Op een bepaald vlak helpt de natuur ons een handje. Er zijn zware sterrenstelsels gevonden die een heel apart effect laten zien dat overeenkomt met de zwaartekrachtstheorie van Einstein: een zwaartekrachtslens. Daarmee is het mogelijk om heel zwakke sterrenstelsels die ver achter het lensstelsel liggen, toch te zien. Weliswaar als een of meer uitgesmeerde beelden, maar dat is voldoende om bijvoorbeeld de afstand te bepalen. Het zou dus een strategie kunnen zijn om via deze lenzen te zoeken naar de allereerste objecten in het heelal.
   omhoogomlaag

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

We zullen moeten zoeken naar zwarte gaten met uiteenlopende massa, en vermoedelijk vinden we de tussenstadia alleen in de begintijd van het heelal. Omdat zwarte gaten een hete materieschijf om zich heen hebben draaien, en ook loodrecht op de schijf in twee tegenovergestelde richtingen ‘jets’ kunnen vormen van uitgestoten materie, is het zaak om vooral te zoeken in röntgen- en gammastraling. De wisselwerking van de jets met ijl gas buiten het sterrenstelsel waar het zwarte gat in zit, geeft ook aanleiding tot de vorming van radiostraling. Je zou dus waarnemingen over een flink deel van het elektromagnetisch spectrum met elkaar moeten combineren. Mede met het oog op het ontrafelen van dit mysterie zijn moderne radiotelescopen gebouwd, zoals LOFAR, een Nederlandse ‘vaste’ (aardse) radiotelescoop met internationale deelname.

Wat zouden we voor röntgentelescoop nodig hebben? Een supergrote röntgentelescoop met een opening van enkele meters en een brandpuntsafstand van misschien wel 20 meter. De spectrale gevoeligheid moet 100 maal groter zijn dan bij bestaande telescopen. Bovendien moeten wisselingen in de stralingsintensiteit worden gemeten tot in milliseconden. Geen geringe opgave!

Er is ook een strategie ontwikkeld om de zwaartekrachtsgolven proberen te meten. Het gaat om buitensporig zwakke signalen, waarbij je probeert om de lengteverandering van een millimeter te meten in een 'meetlat' van miljoenen kilometers. Voor zo'n ruimtemissie is het hoofddoel om zwaartekrachtsgolven te ontdekken met een frequentie tussen een tiende en een tienduizendste Herz. Want die zouden afkomstig kunnen zijn van nauw om elkaar draaiende zwarte gaten en neutronensterren. Zo'n ruimtemissie kan bestaan uit drie satellieten, elk uitgerust met lasers, optische systemen en telescopen, waarmee de onderlinge afstand (bijvoorbeeld 5 miljoen kilometer ) zeer nauwkeurig wordt gemeten. Een zwaartekrachtgolf laat zich verraden door een periodieke trilling in de onderlinge afstanden.

Links  

Wat weten we niet?
Meer over zwarte gaten: http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes/home.html
Meer over zwarte gaten: http://hubpages.com/hub/Origin-and-Evolution-of-Black-Holes
Meer over zwarte gaten: http://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

Wat we weten wel?
Meer over stellaire zwarte gaten: http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l2/black_holes.html
Meer over massieve zwarte gaten: http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l2/active_galaxies.html
Meer over zwaartekrachtsgolven en hoe je die kunt meten : http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=31391

Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Meer over LOFAR : http://www.lofar.org/about-lofar/informatie-over-lofar-dutch/lofar-de-ogen-van-de-aarde
Meer over Athena : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=103
Meer over LISA : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=27
Zwaartekrachtsgolven : http://www.kennislink.nl/publicaties/zwaartekrachtsgolven-indirect-zichtbaar
Meer over zwarte gaten
Op jacht naar zwarte gaten. Op deze ESO-VLT opname van het centrum van het Melkwegstelsel wijst het pijltje naar de positie van het centrale massieve zwarte gat
Zwart gat impressie
Tekening van de omgeving van een zwart gat met een daar omheen draaiende schijf waarin materie is verzameld. De materie lekt aan de binnenkant naar het zwarte gat. Langs de rotatieas ontstaan 'jet's' waarin materie met bijna de lichtsnelheid de ruimte in wordt geschoten
HST black hole
De Hubble Space Telescope heeft in betrekkelijk nabijgelegen sterrenstelsels de omgeving van het centrale zwarte gat kunnen vastleggen
HST black hole
Op deze opname van de Hubble Space Telescope zien we de omgeving van een massief zwart gat. Het stof in de materieschijf steekt donker af tegen de lichte achtergrond
HST black hole
Tekening van de materiejets die ontsnappen bij een zwaar zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel
Dubbel zwart gat in NGC 6240
Het stelsel NGC 6240 blijkt inde kern twee zware zwarte gaten te hebben. Dat is een aanwijzing hoe dergelijke gaten ontstaan, namelijk door versmelting van 'lichtere' gaten
Centaurus A
Centaurus A is een bron van sterke radiostraling afkomstig uit een enorm elliptisch sterrenstelsel. De merkwaardige stofband duidt misschien op het recentelijk 'opslokken' van een kleiner stelsel, waarvan het centrale zwarte gat mogelijk versmolten is met het al aanwezige gat
Samensmelten sterrenstelsels
Het samensmelten van sterrenstelsels is op tal van plaatsen in het heelal te zien. Het is kennelijk een 'gewone' stap in de ontwikkeling van grote sterrenstelsels
Cluster met lensvorming
De materie van een 'voorgrond'-groep sterrenstelsels zorgt voor een sterke zwaartekracht die werkt als een lens. Het versterkte beeld van achtergrondstelsels vinden we terug in de bogen en slierten. Een buitenkansje om ver weg te kijken in het heelal!
 IXO
ESA en NASA hebben gestudeerd op toekomstige rontgentelescopen, zoals bij deze tekening van IXO. Budgetbeperkingen maken het niet gemakkelijk dergelijke projecten te realiseren
 IXO
Detail van de IXO-studie waarbij de spiegels en de detectoren van de rontgentelescoop op grote afstand van elkaar staan. De lange brandpuntsafstand geeft de mogelijkheid om dicht bij elkaar staande bronnen aan de hemel uit elkaar te houden
 LISA
ESA studeert op een project om zwaartekrachtsgolven te meten via minieme schommelingen in de posities van een stelsel satellieten. Dergelijke golven kunnen ontstaan bij de versmelting van zwarte gaten
 LOFAR
Antenneveldje van LOFAR, de radiotelescoop voor laag-frequente radiostaling. De metingen kunnen licht werpen op de verdeling van materie in het vroege heelal
 LOFAR
De LOFAR-antennes zijn deels al aanwezig en moeten zich uiteindelijk uitstrekken over een deel van West-Europa. Combinatie van de signalen levert zeer scherpe radiobeelden op