Astronomen nemen zwart gat onder de loep

Met een techniek die doet denken aan echolocatie, zijn wetenschappers erin geslaagd de regio rond de ‘event horizon’ van een afgelegen zwart gat in ongekend detail te bestuderen.

Wednesday, January 22, 2020,
Door Nadia Drake
In deze illustratie wervelt een dichte accretieschijf rond de muil van een superzwaar zwart. Uitbarstingen van ...
In deze illustratie wervelt een dichte accretieschijf rond de muil van een superzwaar zwart. Uitbarstingen van röntgenstraling vanuit deze schijf creëren ‘lichtecho’s’ die wetenschappers kunnen gebruiken om de interne structuur van het gebied rond zwarte gaten in veel meer detail weer te geven dan wat telescopen kunnen observeren.
Foto van Illustration by NASA/Swift/Aurore Simonnet, Sonoma State Univ.

Vorig jaar onthulden wetenschappers de eerste directe opname van een zwart gat, een grootschalige onderneming die de wereld verblufte en mensen in staat stelde om zich een beeld te vormen van de omgeving van deze kosmische monsters. Met behulp van een nieuwe techniek, waarbij ‘lichtecho’s’ van röntgenstraling werden gebruikt, hebben astronomen nu een nóg gedetailleerdere blik op een van deze zwaartekrachtreuzen kunnen werpen.

Het zwarte gat dat onder de loep werd genomen, huist in het centrum van het sterrenstelsel IRAS 13224-3809, dat zich op ongeveer één miljard lichtjaar van de aarde bevindt. Het superzware zwarte gat wordt omringd door een rondtollende schijf van materie met een temperatuur van een half miljoen graden en omgeven door een corona van röntgenstraling met een temperatuur van meer dan vijfhonderd miljard graden. Door in kaart te brengen hoe deze röntgenstraling zich gedraagt, konden de wetenschappers een zeer gedetailleerde blik werpen op de regio rond de ‘event horizon’ van het zwarte gat, de grens waarachter niets meer aan de zwaartekracht kan ontsnappen, zelfs niet het licht.

Zwarte gaten 101
In het centrum van ons zonnestelsel kolkt een enorm zwart gat. Leer meer over de soorten zwarte gaten, hoe ze ontstaan, en hoe wetenschappers deze onzichtbare, bijzondere objecten in ons heelal ontdekten.

“Zwarte gaten stralen zelf geen licht uit, dus de enige manier waarop we ze kunnen bestuderen, is door te kijken naar de eigenschappen van materie die in het zwarte gat valt,” zegt William Alston van de University of Cambridge, wiens team de observaties gisteren presenteerde in het tijdschrift Nature Astronomy.

Deze meting is nog veel gedetailleerder dan de opname die vorig jaar met behulp van de Event Horizon Telescope van zo’n afgelegen object kon worden gemaakt. Door hun nieuwe metingen van het zwarte gat in IRAS 13224-3809 konden wetenschappers de precieze massa en rotatiesnelheid van het monster vaststellen, eigenschappen die weer veel kunnen zeggen over het ontstaan van het zwarte gat. Als evenzo gedetailleerde metingen van een groep naburige superzware zwarte gaten gemaakt kunnen worden, dan zouden de wetenschappers veel te weten kunnen komen over de ontstaanswijze van sterrenstelsels.

“Als je inzicht hebt in de verschillende rotatiesnelheden van zwarte gaten in diverse sterrenstelsels, dan kun je verklaren hoe al die sterrenstelsels sinds het vroege universum zijn ontstaan en gegroeid,” zegt Alston.

Het meten van echo’s

Ondanks zijn bureaucratische naam is IRAS 13224-3809 een van de spannendste sterrenstelsels die met röntgentelescopen kunnen worden bekeken: het gaat om een ‘actief sterrenstelsel’, wat betekent dat zijn centrum veel meer energie uitstraalt dan alleen de energie van de daar aanwezige sterren en dat de helderheid van het stelsel in röntgenstraling enorm varieert, met een factor van soms wel vijftig, en dat binnen een paar uur. Alston en zijn collega’s kozen dit specifieke object uit omdat ze op zoek waren naar een stelsel met een dynamische en variërende active galactic nucleus (AGN), waaruit ze de eigenschappen van het superzware zwarte gat in het centrum het stelsel konden afleiden.

Daartoe bestudeerden ze IRAS 13224-3809 met behulp van de ruimtetelescoop XMM-Newton van de ESA, die zich in een baan om de aarde bevindt en vandaaruit de kosmos aftast in het bereik van röntgenstraling. Van 2011 tot 2016 observeerde XMM-Newton het verre sterrenstelsel gedurende zestien omloopbanen – in totaal ruim 550 uur.

Met al die uren aan gegevens konden Alston en zijn team een afbeelding samenstellen van de corona rond het superzware gat, die wordt gekenmerkt door sterke röntgenstraling, en ook van de accretieschijf, de ring van materie die rond de event horizon wervelt. Een deel van de röntgenstraling verdwijnt direct de ruimte in, maar een ander deel botst eerst op de accretieschijf en doet er dus iets langer over om de directe omgeving van het zwarte gat te verlaten.

Deze opname van de Event Horizon Telescope toont het centrale zwarte gat in het sterrenstelsel Messier 87.
Foto van EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION

“Die extra omweg zorgt voor een vertraging van de röntgenstraling die door de corona wordt uitgezonden,” legt Alston uit. “We kunnen deze vertraging, deze lichtecho of lichtgalm, precies meten.”

Met deze techniek, die ‘reverberation mapping’ (‘galm-afbeelding’) wordt genoemd, konden de wetenschappers de materie rond het zwarte gat in beeld brengen. Alston vergelijkt het proces met echolocatie, waarbij dieren als vleermuizen geluid uitzenden en op basis van de weerkaatsing van dat geluid een beeld van hun omgeving kunnen samenstellen. In tegenstelling tot de methode die werd gebruikt door de Event Horizon Telescope, die een opname van een naburig zwart gat maakte, kan ‘reverberation mapping’ worden gebruikt om zeer ver afgelegen objecten te bestuderen en gebieden onder de loep te nemen die veel dichterbij de event horizon liggen.

“Bij ‘reverberation mapping’ gaat het helemaal niet om scheidend vermogen, om resolutie,” zegt Misty Bentz van de Georgia State University, die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken maar dezelfde techniek toepast bij het bestuderen van ver afgelegen zwarte gaten. “In plaats daarvan worden lichtecho’s binnen het object zelf gebruikt, die ons veel kunnen vertellen over de structuur van het object, ook zeer kleine en afgelegen objecten.”

Verbijsterende rotatiesnelheid

Dankzij de lichtecho’s die ze van IRAS 13224-3809 opvingen, konden Alston en zijn team de precieze distributie van materie rond het zwarte gat vaststellen, waaronder ook de afmetingen van zijn dynamische corona van röntgenstraling, die deze lichtecho’s veroorzaakt. Met die informatie kon het team vervolgens de massa en rotatiesnelheid van het zwarte gat berekenen, twee eigenschappen die op een menselijke tijdschaal niet fluctueren.

“Om de massa en rotatiesnelheid van het zwarte gat te kunnen meten, moesten we precies weten op welke plek de materie zich bevindt voordat ze in het zwarte gat valt,” zegt Alston. Wetenschappers hebben deze methode al eerder gebruikt om superzware gaten te bestuderen, maar die observaties duurden niet zo lang en de bron was in die gevallen ook niet zo variabel als die van IRAS 13224-3809.

Op basis van de nieuwe inzichten kwam het team tot de slotsom dat dit superzware zwarte gat twee miljoen zonsmassa’s bevat en met een snelheid rondtolt die de wetten van de natuurkunde nog net niet overschrijdt. Volgens Bentz zijn de bevindingen van de studie dankzij de langdurige observaties van de onderzoekers zeer overtuigend. “Ze hebben één en hetzelfde experiment zestienmaal uitgevoerd, wat veel meer is dan bij eerdere studies,” zegt zij. “Dat heeft zeker geholpen om de onveranderlijke waarden van het stelsel precies vast te stellen.”

Alston en zijn team hebben ook een dynamische afbeelding verkregen van de wijze waarop de corona van röntgenstraling rond het zwarte gat verandert, waaruit blijkt dat dit ijle omhulsel binnen één etmaal sterk in omvang kan variëren.

Galactische kiem

In het centrum van elk sterrenstelsel van enige omvang in het universum bevindt zich waarschijnlijk een superzwaar zwart gat. Als we het antwoord kunnen vinden op de vraag welke rotatiesnelheid deze ankerplaatsen hebben, zouden we inzicht kunnen krijgen in de wijze waarop sterrenstelsels in de loop van de geschiedenis van de kosmos zijn ontstaan en zich verder hebben ontwikkeld.

“Een van de dingen die we niet weten, is hoe superzware gaten eigenlijk ontstaan,” zegt Alston. “Wat waren de kiemen voor deze stelsels in het vroege universum? De meeste modellen komen momenteel uit op kiemen die te klein zijn, zodat de sterrenstelsels niet snel genoeg hun huidige omvang bereiken.”

Een van de manieren waarop sterrenstelsel worden gevormd, zou kunnen zijn dat talloze kleinere stelsels op elkaar botsen en in elkaar opgaan. Daarbij fuseren ook de centrale zwarte gaten van de stelsels. Als deze fusies chaotisch verlopen, zou dat niet alleen kunnen leiden tot centrale zwarte gaten met een grotere massa, maar ook van invloed zijn op de rotatiesnelheid van de resulterende zwarte gaten, zegt Alston.

Zwarte gaten kunnen zich ook vetmesten door gaswolken in hun omgeving op te slokken. In dat geval zal de rotatiesnelheid van het centrale zwarte gat hoger zijn, zoals ook uit de gegevens over IRAS 13224-3809 blijkt. Maar Alston vindt het nog te vroeg om te zeggen of dit specifieke sterrenstelsel via dit mechanisme is gegroeid.

Uiteindelijk zouden hij en zijn collega’s gebruik willen maken van ‘reverberation mapping’ om de rotatiesnelheden – en dus de ontstaansgeschiedenis – van honderden naburige superzware zwarte gaten in kaart te brengen, waardoor ze feitelijk een ‘volkstelling’ van deze groep objecten uitvoeren. Afhankelijk van de afstand waarop deze zwarte gaten zich van de aarde bevinden, kunnen de wetenschappers vervolgens kijken naar de groei van de sterrenstelsels die zich in de loop van de geschiedenis van de kosmos rond deze gaten hebben gevormd.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op nationalgeographic.com.

lees verder

Hebben deze astronomen waargenomen hoe een zwart gat een neutronenster opslokte?

Rimpelingen in de ruimtetijd duiden mogelijk op een kosmische botsing die nooit eerder werd waargenomen.

Voyager 2: interstellaire ruimte nog vreemder dan gedacht

Het ruimtevaartuig is de tweede sonde van de NASA die de grens tussen ons zonnestelsel en de rest van de Melkweg is gepasseerd.

Hoe de allereerste opname van een zwart gat werd gemaakt

Door een telescoop ter grootte van de Aarde te creëren hebben astronomen dit bizarre fenomeen voor het eerst kunnen waarnemen.
Lees meer