SRON - Zwarte gaten

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Friday Jun 02nd, 2023

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

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.

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.

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.