Hebben wetenschappers werkelijk zwarte gaten gevonden?

HET lijkt wel science fiction — eens heldere sterren, die onzichtbaar worden, in elkaar gedrukt door hun eigen gravitatiekracht, terwijl er niets, zelfs geen licht, aan hun greep ontsnapt. Veel astronomen geloven dat zulke zwarte gaten in het universum een veel voorkomend verschijnsel zouden kunnen zijn. Zou u er graag meer over willen weten? Het verhaal begint bij het schitterende noordelijke sterrenbeeld de Zwaan, of Cygnus.

Cygnus X-1 — Een zwart gat?

Sinds de jaren ’60 zijn astronomen geïnteresseerd in een bepaald gebied van het sterrenbeeld de Zwaan. Met instrumenten die buiten de dampkring in een baan rond de aarde werden gebracht, observeerde men een krachtige bron van röntgenstralen afkomstig uit dit gebied, aangeduid als Cygnus X-1.

Geleerden weten al lang dat hoe heter een object is, hoe meer energie het uitstraalt op kortere, hoger-energetische elektromagnetische golflengten. Als u een stuk ijzer in een heel hete oven verhit, zal het eerst roodgloeiend worden en daarna geel en wit, naarmate het ijzer heter wordt. In dit opzicht zijn sterren net ijzeren staven. Betrekkelijk koude sterren, van zo’n 3000 K, zijn roodachtig van kleur, terwijl een gele ster, zoals de zon, een oppervlaktetemperatuur heeft die dichter bij de 6000 K ligt.a Maar u zou stellair gas tot miljoenen kelvins moeten verhitten om de röntgenstraling te krijgen die afkomstig is van Cygnus X-1. Geen enkele ster heeft zo’n hoge oppervlaktetemperatuur.

Op de locatie van Cygnus X-1 hebben astronomen een ster ontdekt met een oppervlaktetemperatuur die op 30.000 K wordt geschat — inderdaad heel heet, maar lang niet heet genoeg om de röntgenstralen te verklaren. Deze ster, gecatalogiseerd als HDE 226868, heeft naar schatting een massa van dertigmaal die van de zon en is 6000 lichtjaren van de aarde verwijderd. Deze superreus heeft een begeleider, en die twee draaien elke 5,6 dagen in een orbitale wals om elkaar heen. Wetenschappers hebben berekend dat de begeleider zich slechts een paar miljoen kilometer van HDE 226868 bevindt. Volgens sommige bronnen heeft deze begeleider een massa die ongeveer tien zonsmassa’s bedraagt. Maar er is iets heel vreemds met deze begeleider — hij is onzichtbaar. Geen enkele normale ster die zo groot is zou op zo’n afstand van de aarde onzichtbaar kunnen zijn. Een object met die massa dat röntgenstralen maar geen zichtbaar licht uitzendt, is een goede kandidaat voor een zwart gat, zo zeggen wetenschappers.

Een reis naar een zwart gat

Stelt u zich eens voor dat u naar Cygnus X-1 zou kunnen reizen. Aangenomen dat het inderdaad een zwart gat is, dan zou wat u te zien krijgt heel goed kunnen lijken op de illustratie op bladzijde 17. De grote ster is HDE 226868. Terwijl deze ster een diameter heeft van miljoenen kilometers, heeft het zwarte gat wellicht een diameter van zo’n zestig kilometer. De uiterst kleine zwarte stip in het middelpunt van de draaikolk van gloeiend gas is de waarnemingshorizon, of het oppervlak, van het zwarte gat. Het is echter geen vast oppervlak, maar lijkt meer op een schaduw. Het is de grens van het gebied waarbinnen de zwaartekracht rond het zwarte gat zo sterk is dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Veel wetenschappers denken dat binnen de horizon, in het middelpunt van het zwarte gat, een punt ligt zonder afmetingen en met een oneindig grote dichtheid, bekend als een singulariteit, waarin alle materie in het zwarte gat is verdwenen.

Het zwarte gat zuigt de buitenste gaslagen van zijn metgezel weg. Het gas van de ster vormt een gloeiende platte schijf terwijl het zich in een steeds snellere spiraal rond het zwarte gat beweegt en door wrijving wordt verhit. Deze schijf van oververhit gas produceert net buiten het zwarte gat röntgenstralen, doordat het gas door de intense zwaartekracht een enorme snelheid krijgt. Als het gas eenmaal in het zwarte gat is gevallen, kan röntgenstraling — of iets anders — natuurlijk niet meer ontsnappen.

Cygnus X-1 vormt een spectaculaire aanblik, maar kom niet te dichtbij! Niet alleen de röntgenstraling maar ook de zwaartekracht is dodelijk. Op aarde is er wanneer u staat een gering verschil in de zwaartekracht die heerst ter hoogte van uw hoofd en ter hoogte van uw voeten. Door dit verschil ontstaat er een uiterst kleine trekkende kracht die niet te voelen is. Maar bij Cygnus X-1 is dat kleine verschil 150 miljard keer zo groot, waardoor een kracht ontstaat die uw lichaam in feite zou uitrekken, alsof onzichtbare handen uw voeten de ene kant op trokken en uw hoofd de andere kant op!

Cygnus A — Een superzwaar zwart gat?

Er is nog een mysterieus gebied in het sterrenbeeld de Zwaan. Daarbinnen is slechts de zeer vage vlek van een afgelegen sterrenstelsel te zien, maar de radiogolven die het uitzendt, behoren tot de krachtigste aan de hemel. Het wordt Cygnus A genoemd, en vanaf het moment waarop het meer dan vijftig jaar geleden werd ontdekt, hebben wetenschappers zich er het hoofd over gebroken.

Het is verbijsterend om zich de omvang van Cygnus A voor te stellen. Terwijl Cygnus X-1 zich in ons eigen sterrenstelsel bevindt, een paar duizend lichtjaren van ons verwijderd, denkt men dat Cygnus A zich op een afstand van honderden miljoenen lichtjaren bevindt. Hoewel Cygnus X-1 en zijn zichtbare begeleider slechts ongeveer een lichtminuut van elkaar zijn verwijderd, zijn de pluimen die gevormd worden door de twee radiojets in Cygnus A honderdduizenden lichtjaren van elkaar verwijderd.b Iets in het middelpunt van Cygnus A heeft blijkbaar honderdduizenden of zelfs miljoenen jaren lang deze zeer krachtige jets (zeer smalle bundels hoog-energetische deeltjes) in tegengestelde richtingen afgevuurd, als een soort kosmisch straalkanon. Gedetailleerde radiokaarten van het middelpunt van Cygnus A onthullen dat het straalkanon vergeleken met de jets heel klein is, nog geen lichtmaand groot. Als het in al die tijd even had getrild, dan zouden de bundels kronkelig zijn geweest. Maar de mysterieuze jets zijn volkomen recht, alsof het straalkanon dat ze afvuurde, gestabiliseerd werd door een enorme gyroscoop.

Wat zou hier aan de hand kunnen zijn? „Van de tientallen ideeën die in het begin van de jaren ’80 waren geopperd om de centrale krachtbron te verklaren,” schrijft professor Kip S. Thorne, „was er bij slechts één sprake van een imposante gyroscoop met een lange levensduur, van nog geen lichtmaand groot, en een vermogen om krachtige jets voort te brengen. Dat unieke idee was een reusachtig, roterend zwart gat.”

Andere vermoedelijke zwarte gaten

In 1994 besteedde de pas gerepareerde Hubble-ruimtetelescoop aandacht aan het „nabijgelegen” sterrenstelsel M87, dat naar schatting vijftig miljoen lichtjaren van ons verwijderd is. Met zijn nieuwe optische uitrusting ontdekte Hubble een draaikolk van gas in het middelpunt van M87 die met een verbazingwekkende twee miljoen kilometer per uur rond een bepaald object draaide. Wat kon er de oorzaak van zijn dat het gas zo’n hoge snelheid had? Berekeningen toonden aan dat de massa van het object in de draaikolk gelijk moet zijn aan ten minste twee miljard zonsmassa’s. Maar dat object is in een „uiterst kleine” ruimte zo groot als ons zonnestelsel gepropt. Het enige waarvan wetenschappers zich kunnen indenken dat het eventueel aan deze beschrijving zou kunnen voldoen, is een superzwaar zwart gat.

Vermoedelijke zwarte gaten zijn nu ontdekt in het middelpunt van een aantal nabijgelegen sterrenstelsels, waaronder onze „buurman”, het sterrenstelsel Andromeda, slechts zo’n twee miljoen lichtjaren van ons vandaan. Maar er zou zelfs nog dichterbij dan Andromeda een reusachtig zwart gat kunnen zijn! Recente waarnemingen doen vermoeden dat zich in het middelpunt van ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg, heel goed een kolossaal zwart gat zou kunnen bevinden. In een klein gebied is iets van naar schatting 2,4 miljoen zonsmassa’s er de oorzaak van dat de sterren in de buurt van het middelpunt van ons sterrenstelsel er met ontzaglijke snelheden omheen draaien. De fysicus Thorne merkt op: „Bewijzen die zich in de jaren ’80 geleidelijk hebben opgestapeld, doen vermoeden dat zulke gaten zich niet alleen in de kern van de meeste quasars en radiomelkwegstelsels bevinden, maar ook in de kern van de meeste grote, normale (niet-radio) melkwegstelsels zoals de Melkweg en Andromeda.”

Hebben wetenschappers werkelijk zwarte gaten ontdekt? Misschien wel. Zij hebben in elk geval enkele zeer vreemde objecten in het sterrenbeeld de Zwaan en elders ontdekt waarvoor momenteel de eenvoudigste verklaring is dat ze zwarte gaten zijn. Maar nieuwe gegevens kunnen vraagtekens zetten bij algemeen aanvaarde theorieën.

Ruim 3500 jaar geleden vroeg God aan Job: „Zijt gij de inzettingen van de hemel te weten gekomen?” (Job 38:33) In weerwil van indrukwekkende wetenschappelijke vooruitgang is die vraag nog steeds actueel. Het is tenslotte zo dat net wanneer de mens begint te denken dat hij het universum begrijpt, zich de een of andere nieuwe, onverwachte waarneming voordoet die zijn zorgvuldig in elkaar gezette theorieën omverwerpt. Ondertussen kunnen wij vol verbazing naar de sterrenbeelden turen en van hun schoonheid genieten!

[Voetnoten]

[Kader op blz. 16, 17]

Hoe ontstaat een zwart gat?

DE HUIDIGE wetenschappelijke opvatting is dat sterren schijnen door een onafgebroken strijd tussen de zwaartekracht en nucleaire krachten. Zonder zwaartekracht die het gas diep in het binnenste van de ster samendrukt, zou er geen kernfusie kunnen plaatsvinden. Anderzijds kunnen er zonder kernfusie die de aantrekking van de gravitatiekracht weerstaat, heel vreemde dingen met sterren gebeuren.

Wetenschappers geloven dat wanneer sterren ongeveer zo groot als onze zon hun nucleaire brandstof, waterstof en helium, opgebruiken, ze door de zwaartekracht in elkaar worden gedrukt tot hete sintels ongeveer zo groot als de aarde, witte dwergen genoemd. Een witte dwerg kan dezelfde massa hebben als de zon, maar die massa is samengeperst in een ruimte die een miljoen keer kleiner is.

U kunt gewone materie bezien als grotendeels lege ruimte, waarbij bijna alle massa van elk atoom zich in een uiterst kleine kern bevindt die omgeven is door een veel grotere wolk van elektronen. Maar binnen in een witte dwerg drukt de zwaartekracht de wolk van elektronen samen tot een minuscule fractie van haar vroegere omvang, waardoor de ster inkrimpt tot de grootte van een planeet. Voor sterren ongeveer zo groot als onze zon bestaat er op dit punt een evenwicht tussen de zwaartekracht en krachten die door de elektronen worden uitgeoefend, waardoor een verdere samenpersing wordt voorkomen.

Maar wat gebeurt er met sterren met een grotere massa dan de zon, met meer zwaartekracht? Bij sterren van meer dan 1,4 zonsmassa’s is de zwaartekracht zo groot dat de elektronenwolk samengedrukt wordt tot ze niet meer bestaat. De protonen en elektronen verenigen zich dan tot neutronen. De neutronen voorkomen een verdere samendrukking, mits de zwaartekracht niet te groot is. In plaats van een witte dwerg zo groot als een planeet, is het resultaat een neutronenster zo groot als een kleine asteroïde. Neutronensterren bestaan uit de dichtste materie die in het universum bekend is.

Wat gebeurt er echter als de zwaartekracht nog meer toeneemt? Bij sterren van ongeveer drie zonsmassa’s is de zwaartekracht volgens wetenschappers zo groot dat de neutronen die niet kunnen weerstaan. Geen enkele bij natuurkundigen bekende vorm van materie is bestand tegen de cumulatieve kracht van al deze gravitatie. Naar het schijnt zou de neutronenbol zo groot als een asteroïde niet gewoon tot een kleinere bol worden samengedrukt maar tot niets, tot een punt dat een singulariteit wordt genoemd, of tot een andere tot nu toe nog niet beschreven theoretische entiteit. De ster zou ogenschijnlijk verdwijnen, en alleen haar zwaartekracht en een zwart gat achterlaten op de plek waar ze zich altijd bevond. Het zwarte gat zou een gravitatieschaduw vormen in plaats van de vroegere ster. Het zou een gebied zijn waar de zwaartekracht zo groot is dat niets — zelfs geen licht — zou kunnen ontsnappen.

[Illustraties op blz. 16]

Het sterrenbeeld de Zwaan bevat onder andere de Noord-Amerikanevel (1) en de Sluiernevel (2). Cygnus X-1 (3) bevindt zich op de hals van de zwaan

Cygnus (de Zwaan)

[Verantwoording]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[Illustraties op blz. 17]

Cygnus X-1 in theorie

Zwarte gaten worden waargenomen door hun uitwerking op andere lichamen. Op deze illustratie zijn gassen van een ster te zien die in een zwart gat worden getrokken

Door illustrator in beeld gebracht zwart gat (in de rode rechthoek) en vergroting (onder)

[Illustratieverantwoording op blz. 14]

Einstein: U.S. National Archives photo