Superzware zwarte gaten
De monsters in het hart van elk sterrenstelsel
In het centrum van bijna elk groot sterrenstelsel zit iets onvoorstelbaar. Niet een ster. Niet een cluster. Een zwart gat miljoenen — soms miljarden — keer zwaarder dan onze zon. Waar komen ze vandaan? Hoe beïnvloeden ze hun sterrenstelsel? En wat deden we om een foto van onze eigen reus te maken?
Onze eigen reus: Sagittarius A*
In het hart van de Melkweg zit Sgr A* (uitgesproken "Sagittarius A star"). Een superzwaar zwart gat met een massa van 4,15 miljoen zonmassa's. Verpakt in een gebied kleiner dan ons zonnestelsel.
We zien hem niet direct — het is een zwart gat. Maar we zien sterren in zijn buurt die rond iets onzichtbaars cirkelen. Eén specifieke ster, S2, heeft een baan van 16 jaar om Sgr A* en komt op zijn dichtste punt 17 lichtuur erbij (= 4 keer de diameter van ons hele zonnestelsel). Op dat dichtste punt accelereert hij tot 25 miljoen km/u, ofwel 2,5% van de lichtsnelheid.
In 2018 kwam S2 op zijn dichtstbijzijnde punt sinds we hem goed konden meten. Elke theoretische test was positief. Einstein klopte weer. Relativistische effecten (tijdsdilatatie, gravitational redshift) werden gemeten en bevestigd — tot achter de komma.
Sgr A* ligt 26.000 lichtjaar van ons af. Hij is "slapend" — op dit moment eet hij nauwelijks. Dat is goed nieuws. Als hij aan het "snacken" zou zijn, zouden stralen energie hele regio's van de Melkweg steriliseren. Wij zitten in een rustige, ver-weg hoek. Veilig.
Andere sterrenstelsels: veel groter
Sgr A* is 4 miljoen zonmassa's. Indrukwekkend. Maar in grote sterrenstelsels vinden we nog veel grotere reuzen:
- M87*: 6,5 miljard zonmassa's. In M87, een enorm elliptisch sterrenstelsel 55 miljoen lichtjaar weg.
- TON 618: ~66 miljard zonmassa's. Een van de grootste bekende. Zijn event horizon is groter dan ons hele zonnestelsel met wat ruimte over.
- Phoenix A: tot 100 miljard zonmassa's (schatting). Mogelijk de grootste in het waarneembare universum.
TON 618 — denk daar even over na. Één enkel object, met meer massa dan alle sterren in de Melkweg samen. Verpakt in een gebied kleiner dan ons zonnestelsel. Wat dat eens gedaan heeft aan het vroege heelal is moeilijk te begrijpen.
Hoe zijn ze ontstaan?
Dit is een van de grote open vragen in astrofysica. Hoe krijg je zo'n enorm zwart gat? Twee leidende theorieën, en waarschijnlijk gebeuren beide:
- Groei vanuit "seeds": een "gewoon" zwart gat uit een supernova (~20-100 zonmassa's) groeit langzaam door materie te eten. Dat kost miljarden jaren, maar werkt.
- Direct collapse: in het vroege universum waren er enorme dichte wolken van gas die direct tot grote zwarte gaten konden instorten. Ze hoefden geen supernova-fase te doorlopen. Meteen met 10.000 tot 100.000 zonmassa's beginnen.
Waarom twijfelen we? Omdat we superzware zwarte gaten zien in het hele vroege universum, toen het nog geen miljard jaar oud was. Ze zouden geen tijd hebben gehad om via groei zo enorm te worden. Dus "direct collapse" moet een rol spelen — waarschijnlijk alleen toen, in de chaotische eerste fase.
Quasars — hun schreeuwende jeugd
Wanneer een superzwaar zwart gat actief materie opslokt, wordt het gas eromheen enorm heet — miljoenen graden. Het gloeit extreem helder. We noemen zo'n object een quasar (van "quasi-stellar radio source").
Quasars zijn de helderste objecten in het universum. Ze kunnen hun eigen sterrenstelsel overschijnen, ondanks dat de bron (het accreterende zwart gat) veel kleiner is dan één ster.
De verste bekende quasar staat 13 miljard lichtjaar weg. Dat betekent: het licht dat ons nu bereikt, is 13 miljard jaar geleden vertrokken. We kijken naar een zwart gat zoals het was toen het universum nog piepjong was — een venster op de kosmische kindertijd.
De foto's: geschiedenis gemaakt
In april 2019 publiceerde het Event Horizon Telescope-team de eerste directe foto van een zwart gat. M87* — 55 miljoen lichtjaar weg — verscheen als een donkere schaduw omringd door een oranje gloed. Mijn hart maakte bij het zien van die foto een sprongetje. We keken, voor het eerst in de menselijke geschiedenis, naar de rand van een onontkomelijkheid.
Hoe werkt het? Radiotelescopen over de hele wereld werden gesynchroniseerd tot één virtuele telescoop ter grootte van de aarde. Data werd op harde schijven vervoerd (want te veel voor internet) en gedurende twee jaar gecombineerd. Resolutie: fijn genoeg om een sinaasappel op de maan te zien.
In mei 2022 kwam de tweede foto: Sagittarius A*, ons eigen. Moeilijker omdat Sgr A* kleiner is en vlakker omringd door gas dat snel beweegt — de foto is een gemiddelde van verschillende opnames. Maar hij is echt.
De event horizon van M87* is ongeveer 40 miljard km diameter — groter dan ons hele zonnestelsel. De "schaduw" op de foto (die we zien) is nog groter vanwege relativistische effecten die licht rond het gat buigen. We kijken, in essentie, in een oneindig diepe put zo groot als een hele sterrenstelselkern.
Zwart-gat-sterrenstelsel verband
Hier iets fascinerends: er is een vrij strakke verhouding tussen de massa van het centrale zwarte gat en de totale massa van zijn sterrenstelsel. Hoe groter het stelsel, hoe groter het centrale zwart gat. Alsof ze samen groeiden.
Niemand weet precies waarom. Mogelijk: het zwarte gat "reguleert" het sterrenstelsel door feedback — in actieve fases blaast het gas weg, stopt stervorming, remt groei. Een soort zelf-ingestelde thermostaat op de galaxy-schaal. Iets dat ons dwingt om sterrenstelsels en hun centra als één gekoppeld systeem te zien, niet als onafhankelijke componenten.
Nog veel te ontdekken
Superzware zwarte gaten zijn een van de meest spannende frontieren van moderne astronomie. Nieuwe instrumenten (James Webb, toekomstige LISA-zwaartekrachtgolf-ruimtedetector, Extremely Large Telescope) gaan ons binnenkort veel meer laten zien. De eerstvolgende ontdekkingen — botsingen van superzware paren, formatievanmechanismen, oorsprong in het vroege heelal — staan voor de deur.
In de laatste les van deze week gaan we naar het meest speculatieve gebied: wormgaten, witte gaten, en andere theoretische objecten.