Een reis om een zwart gat in virtual reality

Superzware zwarte gaten zijn de afvoerputjes van ons heelal. Materie die in de buurt komt, wordt opgeslokt of versneld tot bijna de lichtsnelheid. Eenmaal in het zwarte gat is er geen weg terug; niks kan er uit ontsnappen. In mijn onderzoek probeer ik te begrijpen hoe deze bizarre objecten werken en te voorspellen hoe ze er uit zien met hulp van virtual reality.

Zwarte gaten zijn de meest extreme objecten in ons heelal, ze worden beschreven door Albert Einsteins Algemene Relativiteitstheorie en we denken dat alle sterrenstelsels er een hebben in hun centra. Dit weten we door indirecte observaties. Zo zien we in ons eigen Melkweg sterren rond een compact centrum draaien. De snelheid waarmee ze dit doen zegt iets over de hoeveelheid massa die daar zou moeten zitten: iets meer dan vier miljoen keer de massa van de zon! Als we niet kijken naar lichtgolven (optische straling) maar naar radiogolven die uit dit punt vandaan komen, dan ‘zien’ we dat er een compact object zit dat heel veel energie uitstraalt. De enige verklaring die we hiervoor hebben, is dat er een zwart gat móét zitten, maar direct waargenomen hebben we dat zwarte gat nog niet.

Bewijzen dat een zwart gat echt bestaat, kunnen we door een directe foto te maken van de schaduw van een zwart gat. Het project waar ik deel van uitmaak, heeft tot doel juist dat als eerste voor elkaar te krijgen.

Ontsnappingssnelheid

Zwarte gaten hebben geen zichtbaar ‘hard’ oppervlak zoals alle andere objecten in het heelal wel hebben. De grote van een zwart gat wordt bepaald door de waarnemingshorizon. Als we een raket de ruimte in sturen, moet hij een bepaalde snelheid hebben om los te komen van de zwaartekracht van de aarde, dit heet de ontsnappingssnelheid. In het geval van een zwart gat is deze ontsnappingssnelheid hoger dan de lichtsnelheid. Zelfs licht kan er dus niet uit ontsnappen.

Dit zorgt ervoor dat alles wat in het zwarte gat valt, niet zichtbaar is voor iemand buiten het zwarte gat. En dat alles dat er eenmaal in zit, er nooit meer aan kan ontsnappen. Deze grens noemen we de waarnemingshorizon. Maar als er geen licht uit komt, hoe kunnen we dan toch een foto maken?

Schaduw van een zwart gat

Het centrum van de Melkweg is een hele drukke omgeving. Miljoenen sterren draaien daar rondjes in een gebied zo groot als tussen onze zon en de dichtstbijzijnde ster. Sommige van deze sterren hebben een hele sterke wind die langzaam de buitenste lagen van de ster wegblaast. Naast sterren zijn er ook veel gaswolken die soms net iets te dicht bij het zwarte gat komen. Al deze materie valt langzaam richting het zwarte gat. Maar naarmate het dichterbij komt en het de zwaartekracht steeds sterker voelt, valt het steeds sneller en sneller richting de waarnemingshorizon.

Je kunt dit vergelijken met water dat in de gootsteen stroomt. Het kolkt rondom het afvoerputje en hoe dichter bij het putje het komt hoe sneller het water ronddraait. Hierdoor neemt niet alleen de snelheid toe maar ook de temperatuur. Dit gas kan daardoor opgewarmd worden tot miljarden Kelvin, en hierdoor straalt het licht uit. Dit licht kan nog altijd ontsnappen, net zo lang totdat het in het zwarte gat verdwijnt. Dan is alles zwart. Een zwart gat creëert daardoor een schaduw in de stroom van materie die je in de afbeelding hierboven ziet.

Niet verstoppen

De schaduw wordt omgeven door een ring van licht. Dit is geen licht van materie dat van boven naar binnen valt, maar licht van alle kanten om het zwarte gat heen. Door de extreme zwaartekracht wordt al het licht afgebogen en kijk je tegelijkertijd tegen alle kanten van het zwarte gat aan. En zelfs achter het zwarte gat dus. Je kunt je niet verstoppen achter een zwart gat. Door die lichtrand is de schaduw goed zichtbaar.

Binnen mijn onderzoek werk ik aan computersimulaties die via ingewikkelde berekeningen kunnen bepalen hoe de materie rond een zwart gat kolkt en hoeveel licht deze stroom aan gas genereert. Met de observaties aan de ene kant en de simulaties aan andere kant hopen we iets te leren over hoe deze absurde objecten werken en de zwaartekrachttheorie van Albert Einstein te testen.

Een van mijn nieuwste visualisaties die deze week gepubliceerd is kun je hierboven zien. In de video bevind je je dichtbij het zwarte gat in het centrum van de Melkweg. In de verte zie je een sterrenhemel die wordt vervormd door de aanwezigheid van het zwarte gat. Dan gooien we als het ware materie in het zwarte gat. Die materie begint tijdens zijn val op te lichten. Hoe dichter het bij komt, hoe heter het wordt en hoe geler het er uit ziet. Op een gegeven moment schiet er aan de boven- en onder kant een straalstroom van deeltjes uit, deze deeltjes volgen extreem sterke magneetvelden en ontsnappen zo aan het zwarte gat.

Uiteindelijk beweeg je zelf langzaam naar het zwarte gat toe, je belandt in de stroom van materie om uiteindelijk uitgespuugd te worden in de hoog gemagnetiseerde straalstroom: ook jij bent ontsnapt!