Verdienen zwarte gaten alle aandacht die ze trekken?

Van kosmische alleseter tot kolossale kosmische dynamo, van monster tot een zwaar en exotisch object. Ook op NEMO Kennislink wemelt het van spannende synoniemen voor zwarte gaten.

Je kunt stellen dat zwarte gaten een hoofdrol spelen in het nieuws over de kosmos. Journalisten pikken de talrijke wetenschappelijke onderzoeken vaak op. Bovendien krijgt het onderzoek óók veel aandacht en waardering binnen de wetenschappelijke wereld: afgelopen maand wonnen Roger Penrose, Reinhard Genzel en Andrea Ghez de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun respectievelijk theoretische onderzoek en observatie van een zwart gat.

Wij vroegen ons op de redactie van NEMO Kennislink af wat de werkelijke rol van het zwarte gat in de kosmos is. Is het slechts een vreemde snuiter die vanwege zijn rare trekjes onevenredig veel aandacht trekt? Om die vraag te beantwoorden spraken we met twee Nederlandse onderzoekers. We ontdekten dat zwarte gaten een centralere rol in de kosmos hebben dan je misschien verwacht.

Centrale rol

Laten we als startpunt het onderzoek nemen waarmee onderzoekers Reinhard Genzel en Andrea Ghez afgelopen maand de Nobelprijs voor de Natuurkunde wonnen. Zij hielden vanaf 1995 (onafhankelijk van elkaar) over een tijd van zo’n twintig jaar tientallen sterren in de gaten in het zeer ‘dichtbevolkte’ centrum van de Melkweg.

Het bleek dat een aantal sterren merkwaardig bewegen. Een ster die de boeken ingaat als ‘S2’ maakt in twintig jaar tijd bijna een volledige ronde om een ogenschijnlijk leeg punt in de ruimte, inclusief een opmerkelijke haarspeldbocht. Wat bracht deze zware ster uit koers? De betrokken wetenschappers konden niet anders dan concluderen dat er zich op deze plek een zwaar zwart gat van maar liefst vier miljoen zonsmassa’s bevindt. De intense bron van radiostraling die al in de jaren 70 op deze plek werd ontdekt, deed wetenschappers al langer vermoeden dat hier een zeer energierijk object aan het werk was.

De show stelen

Waar zwarte gaten ook de spreekwoordelijke ‘ster’ van hun vakgebied zijn, is op het gebied van zwaartekrachtgolven. Dit relatief nieuwe onderzoek trekt de laatste jaren veel aandacht. In 2015 detecteerden wetenschappers voor het eerst de zwaartekrachtgolven van twee botsende zwarte gaten. Dat lukte met de extreem gevoelige LIGO-detectoren in de Verenigde Staten. In 2017 ontvingen de betrokken wetenschappers hiervoor de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

In zekere zin stelen zwarte gaten hier de show van een heel ánder type object in het universum, de zogenoemde neutronenster. Dat is (net als veel ‘lichte’ zwarte gaten) een restant van een opgebrande ster. Bij een gewelddadige botsing van neutronensterren ontstaan meetbare golven in de ruimtetijd. Er zijn waarschijnlijk veel meer botsingen tussen neutronensterren dan tussen zwarte gaten, zegt Sarah Caudill. Zij is astronoom van het Amsterdamse Nikhef-instituut en professor aan de Universiteit Utrecht. “Dat we zoveel zwarte gaten zien komt simpelweg omdat ze een veel sterker signaal afgeven”, zegt ze. Als je de ruimtetijd vergelijkt met een vijveroppervlak waarin golven ontstaan, dan veroorzaken zwarte gaten hogere golven dan neutronensterren. Caudill haalt een recente catalogus aan waarin zij en collega’s 39 nieuwe zwaartekrachtgolf-evenementen presenteren: 38 keer ging het om zwarte gaten, slechts één keer was het een botsing tussen neutronensterren.

De zwarte gaten die Caudill en collega’s ‘horen botsen’ zijn klein in vergelijking tot de eerder genoemde exemplaren in de centra van sterrenstelsels, met een massa van enkele tot enkele honderden keren de massa van onze zon. De precieze vorm van het golfsignaal – als je het als geluid afspeelt klinkt het als een soort tsjirp – vertelt de astronomen vrij precies hoe zwaar botsende zwarte gaten zijn, hoe ze om elkaar heen wentelen en hoe ver ze van ons af staan. Dat vormt naast de eerder beschreven methodes een geheel nieuwe manier om zwarte gaten te onderzoeken.

Het vinden van eigenschappen van zwarte gaten diep in het universum klinkt behoorlijk abstract. Heeft de argeloze aardling hier nog iets aan? Volgens Caudill wel. Het onderzoek naar zwarte gaten geeft namelijk ook antwoord op veel bredere wetenschappelijke vragen. “Nu we steeds meer zwarte gaten detecteren kunnen we statistisch onderzoek doen en het grotere plaatje bekijken: waar vormen zwarte gaten zich in de ruimte, en op welk punt in de geschiedenis van het heelal: net na de oerknal of pas later? Dit vertelt ons iets over de ontwikkeling van het universum.”

Concurreren op budgetten

Het onderzoeksveld van zwaartekrachtgolven is de afgelopen jaren enorm succesvol geweest. Het heeft veel aandacht en ook onderzoeksgelden aangetrokken. “Misschien zijn astronomen buiten dit veld daar wel een beetje jaloers op, want zij concurreren op dezelfde budgetten”, zegt Caudill. “En toch vullen bijvoorbeeld neutrinodetectoren, observatoria voor kosmische straling en zwaartekrachtgolfdetecties elkaar goed aan. Al deze manieren van waarnemen zijn nodig en groeien uiteindelijk naar elkaar toe.” Ze doelt onder andere op de eerste keer dat astronomen zwaartekrachtgolven van botsende neutronensterren detecteerden. Wereldwijd werden er razendsnel tientallen observatoria naar deze explosie gedirigeerd.

De aandacht voor zwarte gaten is terecht volgens Burtscher. Als hij een lezing geeft, hoeft hij maar over dit onderwerp – óf exoplaneten – te beginnen en hij heeft de volle aandacht van zijn publiek. En zoals hij hierboven al uitlegde hebben zwarte gaten volgens hem een centrale rol in de astronomie. Ook Caudill beaamt dat zwarte gaten veel aandacht trekken in de media en in het onderzoeksveld. “Ze zijn interessant, mysterieus en eng”, zegt ze. Maar ze vermoedt dat die aandacht in de komende jaren misschien van aard verandert.

“We snappen steeds meer van zwarte gaten en krijgen gereedschappen om de natuurkunde van zwarte gaten aan de tand te voelen. In die zin worden ze steeds minder mysterieus. Zo’n verandering merk ik al bij wetenschappers in ons onderzoeksveld. Toen we in 2015 de eerste zwaartekrachtgolven detecteerden was iedereen ontzettend opgewonden. Alles werd op alles gezet om zeker te zijn dat de signalen echt waren en geen fout van de meetapparatuur. Nu in 2020 publiceren we catalogi met tientallen van dit soort detecties. Zwaartekrachtgolven van zwarte gaten zijn voor ons al een beetje normaal geworden.”