Zwart gaten vormen zich bijvoorbeeld wanneer zeer zware sterren aan het eind van hun levensloop ineenstorten. Hierdoor ontstaat een supercompacte massa. Doordat een zwart gat zoveel massa heeft die zo dicht op elkaar zit, ondervindt materie in de buurt van het zwarte gat een extreem grote zwaartekracht. Materie die te dicht in de buurt van het zwarte gat komt, zal daardoor in het zwarte gat verdwijnen en er nooit meer uitkomen. Hierdoor neemt de massa van het zwarte gat toe.
De grens die aangeeft of materie – maar ook licht – nog kan ontsnappen aan de sterke zwaartekracht, noem je de waarnemingshorizon of in het Engels: event horizon. Alles wat binnen deze waarnemingshorizon komt, kan niet meer weg uit het zwarte gat.
Kijk op zwarte gaten
Misschien vraag je je af hoe we dit allemaal weten? De eerste wetenschappers die vermoedden dat er zwarte gaten zouden bestaan waren de Engelse geoloog John Michell en de Franse wiskundige Pierre-Simon Laplace. Al in 1783 veronderstelde Michell het bestaan van ‘onzichtbare’ sterren. Deze sterren zouden zo’n grote massa hebben, dat de ontsnappingssnelheid – de snelheid die nodig is om net aan de zwaartekracht van een ster of planeet te kunnen ontsnappen - hiervan groter zou zijn dan de lichtsnelheid. Michell rekende met de – toen al bekende – lichtsnelheid uit wanneer de ontsnappingssnelheid precies de lichtsnelheid zou zijn. Dat was zo voor een ster die 500 maal groter is dan de zon (bij dezelfde dichtheid). Hij dacht dat lichtdeeltjes die aan zo’n ster wilde ontsnappen – net als massa’s – geremd zouden worden door de sterke zwaartekracht van die ster. Daarom zou licht dus niet kunnen ontsnappen en zou zo’n ‘ster’ onzichtbaar zijn, redeneerde Michell. Hoewel niet zijn hele redenatie klopte, was Michell met zijn ideeën zijn tijd wel ver vooruit. Toch vonden zijn ideeën op dat moment nog niet veel weerklank.
Door Einsteins speciale relativiteitstheorie werd in 1905 echter duidelijk dat massa of informatie zich niet sneller dan het licht kunnen verplaatsen. Dat betekende dat helemaal niets aan de grote ‘onzichtbare sterren’ van Michell en Laplace kon ontsnappen. In 1916 publiceerde Einstein zijn algemene relativiteitstheorie die een nieuwe manier van kijken naar de zwaartekracht opleverde. Hij bouwde voort op het idee dat ruimte en tijd gekoppeld zijn en gebruikte hiervoor het begrip ruimtetijd, dat de Duitse wiskundige Hermann Minkowski introduceerde.
Einstein liet zien dat massa de ruimtetijd kromt en dat deze kromming eigenlijk de zwaartekracht weergeeft. Einsteins theorie vormde voor de Duitse fysicus en astronoom Karl Schwarzschild de basis voor het definiëren van de – theoretische – waarnemingshorizon rondom grote massa’s zoals zwarte gaten. Deze waarnemingshorizon heet daarom ook wel de schwarzschildradius. Op deze straal rondom een zwart gat is de ontsnappingssnelheid gelijk aan de lichtsnelheid. Als materie of licht voorbij deze straal richting het zwarte gat gaat, dan kan het niet meer ontsnappen aan de zwaartekracht van het zwarte gat.
Foto van een zwart gat
De ontwikkeling van steeds meer geavanceerde technieken bracht professor Heino Falcke van de Radboud Universiteit op het idee dat het misschien wel mogelijk zou kunnen zijn om de materie die ronddraait om de waarnemingshorizon te meten. Hiermee zou hij misschien zelfs een foto kunnen maken van een zwart gat, of eigenlijk van de schaduw van een zwart gat. Het proces om tot zo’n foto – of eigenlijk een uit metingen samengestelde afbeelding – te komen was ingewikkeld. De telescopen die hiervoor nodig waren moesten heel gevoelig zijn en veel frequenties tegelijk kunnen meten. Ook moest het meetsysteem betrouwbaar genoeg zijn om de metingen te kunnen uitvoeren. Een gevoelig en betrouwbaar systeem bouwen nam daardoor veel tijd in beslag. Uiteindelijk werd de telescoop waarmee later de beroemde foto gemaakt zou worden - de ‘Event Horizon Telescope’ – opgebouwd uit een stelsel van meerdere telescopen die samen één grote virtuele telescoop vormden.
In 2019 was het dan eindelijk zover. Heino Falcke en een internationaal team van onderzoekers publiceerden de eerste foto van een zwart gat, het zwarte gat M87*. Op de foto zag je de radiostraling afkomstig van het plasma rondom de waarnemingshorizon. Het was het eerste zichtbare bewijs dat zwarte gaten bestaan en hiermee schreef het team van de Event Horizon Telescope geschiedenis.
De metingen die leidden tot de eerste foto van een zwart gat gaven wetenschappers meer informatie over de eigenschappen van het plasma rondom het zwarte gat M87*. Zo konden wetenschappers uit de beelden afleiden dat de temperatuur van het plasma rondom het zwarte gat (specifiek: de elektronen in dat plasma) enkele tientallen miljarden graden Celsius was. Ook konden zij hieruit afleiden dat de magnetische veldsterkte in de buurt van het zwarte gat ongeveer 0.002 T was. Uit de gemeten grootte van de donkere ‘schaduw’ die je middenin de afbeelding in figuur 2 ziet, konden ze zelfs uitrekenen wat de massa van het zwarte gat zelf was: 6,5 miljard zonsmassa’s.
Waarom was het zo interessant voor de onderzoekers om de temperatuur en de veldsterkte van het plasma te weten? Dat is, omdat ze met deze gegevens het gedrag van het hete plasma in de omgeving van het zwarte gat beter begrijpen. Ze kunnen hiermee proberen om te voorspellen of er bij de stroming rondom het zwarte gat krachtige ‘jets’ gevormd zullen worden. Zo’n ‘jet’ is een zeer gebundelde snelle uitstroom van plasma en elektromagnetische straling uit de directe omgeving van een zwart gat. Ook kunnen ze met deze informatie onderzoeken of er kosmische straling - atoomkernen met bijna de snelheid van het licht - gevormd kan worden vanuit dit systeem.
Later in 2022 publiceerde de groep wetenschappers ook een foto van het zwarte gat Sagittarius A*, dat in ons eigen Melkwegstelsel ligt. De metingen hiervan waren al gedaan toen de eerste foto werd gepubliceerd, maar deze moesten op dat moment nog worden verwerkt.
Waarnemen zwaartekrachtsgolven
Naast deze techniek om zwarte gaten in beeld te brengen, is er ook een andere manier om iets over de eigenschappen van zwarte gaten te weten te komen. Hiervoor bood Einsteins relativiteitstheorie een aanknopingspunt. Hij voorspelde het bestaan van zwaartekrachtgolven. Einstein liet zien dat de ruimtetijd gaat trillen wanneer twee zwarte gaten om elkaar heen draaien en op elkaar botsten. Deze trillingen noem je zwaartekrachtgolven. Einstein verwachtte dat mensen nooit in staat zouden zijn om deze zwaartekrachtgolven ook daadwerkelijk te kunnen meten.
Zo’n honderd jaar nadat Einstein het bestaan van zwaartekrachtgolven voorspelde, bleek dat dit door de steeds geavanceerdere meettechnieken toch mogelijk was. In 2015 werd met de zwaartekrachtgolfdetector LIGO voor het eerst een zwaartekrachtgolf gemeten afkomstig van twee zwarte gaten die om elkaar heen draaiden en op elkaar botsten.
Ook dit was een memorabel moment in de geschiedenis van de sterrenkunde. De zwaartekrachtgolven die Einstein voorspelde waren echt aangetoond! Nadat de metingen waren uitgevoerd met LIGO, vergeleken wetenschappers deze gemeten zwaartekrachtgolf met heel veel theoretisch berekende zwaartekrachtgolven – dat noem je fitten. Ze zochten naar de theoretisch berekende zwaartekrachtgolf die het beste samenviel met de gemeten zwaartekrachtgolf. Van deze theoretisch berekende zwaartekrachtgolf wisten ze wat de eigenschappen van de om elkaar heen draaiende zwarte gaten waren. Dat moesten dan dus dezelfde eigenschappen zijn als die van de zwarte gaten die de zwaartekrachtgolf veroorzaakt hadden. Zo konden ze erachter komen wat de massa, de afstand, de compactheid en de spin van de gemeten zwarte gaten moet zijn geweest.
Inmiddels zijn er wereldwijd meerdere zwaartekrachtgolfdetectoren. In de Verenigde Staten liggen LIGO-Hanford en LIGO-Livingston, in Italië Virgo en in Japan KAGRA.
In Europa zijn wetenschappers druk bezig met de voorbereiding voor de bouw van een nieuwe, nog gevoeligere zwaartekrachtgolfdetector: de Einsteintelescoop. Daarnaast werken het Amerikaanse ruimtevaartinstituut NASA en de Europese ruimtevaartorganisatie ESA aan een zwaartekrachtgolfdetector die vanuit de ruimte zwaartekrachtgolven moet gaan waarnemen: LISA (Laser Interferometer Space Antenna).
Gemeenschappelijk meetprincipe
Op het eerste gezicht zou je misschien denken dat de meetmethode om een foto van een zwart gat te maken vast een heel andere techniek vergt dan die om zwaartekrachtgolven te meten. Toch hebben ze wat gemeen: ze gebruiken allebei interferometrie. Natuurlijk is de uitvoering van de techniek bij deze twee toepassingen wel anders, maar in de basis zijn er dus overeenkomsten.
Met dank aan Christiaan Brinkerink
