De Gids. Jaargang 173

[p. 931]

Simon Portegies Zwart
De kinderen van de Boogschutter

Amsterdam Reuzenstad

In 1978 probeerde de stad Amsterdam zich met het motto ‘Amsterdam Reuzenstad’ te profileren door een 15 meter hoge sculptuur van een reus op de Dam te plaatsen (zie figuur 1). Gelukkig was deze monstruositeit snel weer weg, maar stelt u zich eens voor dat die reus nog eens honderd keer zo groot zou zijn geweest, en dat een kleuterklas kinderen er rondjes omheen zou rennen. Dát zou nog eens een mooi spektakel hebben opgeleverd. Twintig jaar later tonen Reinhard Genzel (Ludwig-Maximilians-Universität in München) en Andrea Ghez (University of California te Los Angeles) onafhankelijk van elkaar aan dat het centrum van de Melkweg wordt gedomineerd door een reus van een zwart gat. Voor wetenschapshistorici, filosofen en astronomen breken hierdoor gouden tijd aan. Er ontstaat een fantastische tweestrijd die wordt uitgevochten in de wetenschappelijke literatuur, die vandaag de dag nog met dezelfde vurigheid wordt gevoerd. In tegenstelling tot de reus van Amsterdam is de reus in de Melkweg nog steeds springlevend.

Figuur 1. De reus op de Dam die onder het motto ‘Amsterdam Reuzenstad’ meer allure moest ge- ven aan de stad.

[p. 932]

De Melkweg bestaat uit meer dan 200 miljard sterren en een beetje gas. Op het eerste gezicht lijken alle sterren op elkaar, sommige zijn ietsje zwaarder dan de Zon, die zijn dan ook vaak wat heter, en andere zijn lichter dan de Zon, die zijn weer wat koeler. Toch, als je ze nauwkeurig bestudeert zie je zelfs verschillen tussen de meest identiek lijkende sterren. Zo is het mogelijk om verschillende families aan te wijzen, sterren waarvan het waarschijnlijk is dat ze min of meer gelijktijdig zijn geboren, of misschien zelfs samen in een groep. In dat opzicht zou je de Melkweg goed kunnen vergelijken met de 7 miljard Homo sapiens op de planeet Aarde; op het eerste gezicht lijken alle mensen op elkaar, maar als je ze beter leert kennen ontdek je grote verschillen. Er is echter in de Melkweg één ster die overduidelijk anders is dan alle andere; je zou er een hele kermis omheen kunnen bouwen. En eigenlijk is die kermis er ook. Naar aardse maatstaven zou deze dikke bewoner zo zwaar zijn als álle bewoners van Amsterdam samen, en midden op de Dam zitten, omringd door een paar dozijn rondrennende kinderen. In de kern van de Melkweg, nagenoeg precies in het midden in het sterrenbeeld Boogschutter, huist namelijk een superzwaar zwart gat dat meer dan 3 miljoen keer zwaarder is dan de Zon. Deze ster met de illustere naam Sgr A* (uitgesproken als Sagittarius A-ster) is afgezien van de Aarde zo ongeveer het meest bizarre object in de Melkweg.

Figuur 2. Een in 2007 met de Hubble-ruimtetelescoop gemaakte opname van het restant van supernova sn1987a, die op 24 februari 1987 werd ontdekt door Ian Shelton (Athabasca University Geophysical Observatory, Canada) en Oscar Duhalde (Las Campanas Observatory, Chili).

[p. 933]

Huis-, tuin- & keuken-zwarte gaten

Indien voldoende materie dicht genoeg op elkaar wordt gepakt, kan dat resulteren in een zwart gat. Zwarte gaten kunnen ontstaan in supernovae, wanneer de kern van een zware ster in elkaar stort terwijl de buitenlagen explosief worden weggeblazen. Een dergelijke explosie levert een geweldig spektakel op dat wel 10.000 jaar zichtbaar blijft, als een lichtflits die blijft nagloeien op je netvlies. In figuur 2 is een dergelijke nagloeiende rest van supernova sn1987a te zien. De verantwoordelijke ster, die het nagloeiende restant op de afbeelding heeft opgeleverd, is slechts 22 jaar geleden ontploft. Astronomisch gezien is dat kort geleden.

Vóór de supernova-explosie was er een ster die ongeveer 20 keer zwaarder was dan de Zon. Aan het einde van zijn leven ontplofte de ster in een supernova-explosie. Maar tegelijk met de explosie stortte de kern van de ster in elkaar tot een zwart gat. Dit weten we omdat tijdens de supernova-explosie 17 neutrino's zijn opgevangen door twee onafhankelijke detectoren in Japan en de vs. Met een dergelijk armzalig aantal metingen kun je natuurlijk geen mooie plaatjes maken, zoals figuur 2, maar voor sterrenkundigen waren die neutrino's heel interessant. Ze leveren namelijk het onomstotelijke bewijs dat tijdens supernova sn1987a een zwart gat is geboren, waarschijnlijk ongeveer zo zwaar als de Zon. Het is een heel gewoon huis-, tuin- en keukenzwart gat, waarvan er in de Melkweg tientallen miljoenen zijn. Het is geweldig om getuige te zijn geweest van deze geboorte.

Als de sterkern eenmaal een zwart gat is, kan niets meer ontsnappen van het steroppervlak, zelfs licht niet, vandaar de naam. Maar dat is een natuurlijke consequentie van zwaartekracht en de eindigheid van de lichtsnelheid. Pierre-Simon Laplace speelde aan het begin van de achttiende eeuw al met het idee van een eindige lichtsnelheid, en hij realiseerde zich de consequentie ervan, namelijk de mogelijkheid van het bestaan van een object waarvan de ontsnappingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid. Bij een dergelijk object valt alles wat probeert te ontsnappen uiteindelijk weer terug op het zwarte gat. Tegenwoordig weten we zeker dat licht de hoogst haalbare snelheid heeft, namelijk ongeveer 300.000 kilometer per seconde; pas als iets een snelheid heeft die nog groter is, zou het eventueel kunnen ontsnappen aan een zwart gat, maar zulke snelheden bestaan niet. En dus valt bij iedere ontsnappingspoging alle materie uiteindelijk weer terug op het zwarte gat. Zwarte gaten, ten slotte, komen voor in vier soorten: microscopisch, gewoon, middel- en superzwaar. We hebben het hier verder over de laatste soort, en met name Sgr A*.

[p. 934]

Superzwaar en superzeldzaam

Superzware zwarte gaten lijken in veel opzichten op gewone zwarte gaten zoals sn1987a. Ook uit Sgr A* kan niets ontsnappen. Maar er zijn een paar aspecten die Sgr A* bijzonder maken. In de hele Melkweg is maar één superzwaar zwart gat, Sgr A*, en daarmee is het meteen het meest zeldzame object in de Melkweg. Daar komt nog bij dat het zich precies in het midden bevindt; de hele Melkweg lijkt om het zwarte gat heen te draaien. Ten slotte is het zwarte gat 3 miljoen keer zwaarder dan de Zon, en daarmee meer dan 10.000 keer zwaarder dan ieder ander object in de Melkweg. Het is dus niet mogelijk dat het is ontstaan in een supernova-explosie, want er bestaan helemaal geen sterren die zwaar genoeg zijn om een dergelijk zwart gat te produceren.

Figuur 3. Infraroodopname van het centrum van de Melkweg, gemaakt met de 8,2m vlt-telescoop van de Europese zuidelijke sterrenwacht (eso) in La Silla (Chili). De afmeting van deze foto is ongeveer 1 bij 1 lichtjaar. Het superzware zwarte gat in het midden is niet zichtbaar.

Als wetenschappers roepen dat het centrum van de Melkweg gedomineerd wordt door een superzwaar zwart gat zijn daar goede aanwij-

[p. 935]

zingen voor. Helaas komen bewijzen slechts voor in de wiskunde, maar het spreekwoordelijke scheermes van de veertiende-eeuwse Engelse filosoof Willem van Ockham lijkt in dit geval prima te werken. Ockham filosofeerde dat de eenvoudigste verklaring doorgaans de beste is. Voor Sgr A* is dat een superzwaar zwart gat, omdat de alternatieven veel moeilijker zijn te begrijpen. Voor zover ik weet zijn er op dit moment geen sterrenkundigen die eraan twijfelen dat Sgr A* een superzwaar zwart gat is. Een van de belangrijkste aanwijzingen komt van een dozijn bijzonder jonge sterren, heel dicht in de buurt van dit zwarte gat.

Een bijzondere baan

De meeste sterren, waaronder alle met het blote oog waarneembare, lijken vastgeprikt aan de hemel. Die sterren bewegen natuurlijk wel - alles in het universum is altijd in beweging - maar ze staan zo verschrikkelijk ver weg dat hun beweging niet opvalt ten opzichte van de achtergrond, zelfs niet gedurende een mensenleven. In het centrum van de Melkweg kun je de sterren echter wel zien bewegen.

Figuur 3 is een foto van het centrale deel van de Melkweg, dat de afgelopen twintig jaar nauwkeurig in kaart is gebracht. Bij deze waarnemingen viel een dozijn sterren op (zichtbaar in het kader en tevens afgebeeld in figuur 4). Deze sterren zijn ongeveer 20 keer zwaarder dan de Zon, en geven hierdoor veel licht waardoor ze goed zijn waar te nemen.

Nadat deze sterren gedurende enkele jaren waren gevolgd, bleek de ster S2 met een duizelingwekkende snelheid van 18 miljoen kilometer per uur in een baan rondom een onzichtbaar middelpunt te bewegen. De omlooptijd van S2 is 15,2 jaar. Dat is niet uitzonderlijk. Zelfs in het zonnestelsel komen dergelijke banen voor; de planeet Jupiter bijvoorbeeld heeft een omlooptijd van ongeveer twaalf jaar. We begrijpen zulke banen al sinds Johannes Kepler in 1609 de Astronomia Nova seu Physica coelestis publiceerde. De baan van de ster S2 was op zich geen directe verrassing. Maar de snelheid van de ster was dat wél, en er was niets te zien van het object waar S2 omheen zou moeten draaien. De snelheid van Jupiter is bijna 400 keer kleiner dan die van S2, en daar kunnen we de ster waar de planeet omheen draait wél waarnemen. In figuur 4 is de baan van S2 te zien.

[p. 936]

Figuur 4. Links: detailopname van de omlijnde rechthoek in figuur 3 met daarin de positie van S2 aangegeven. De baan van S2 is rechts getekend met daarbij de positie van Sgr A*.

Met behulp van het eerder genoemde werk van Kepler is het niet moeilijk om de massa van het object waar S2 omheen draait uit te rekenen; je moet hiervoor de snelheid van de ster en de afmeting van de baan kennen. De snelheid van de ster is direct gemeten, maar wat is de afmeting van de baan van S2 om Sgr A*? De afstand tussen twee objecten aan de hemel wordt doorgaans gemeten in een hoek, die weer wordt uitgedrukt in graden. De gemeten hoek tussen Sgr A* en S2 is ongeveer 0,00003 graden. Maar om de massa van het object waar S2 omheen draait uit te kunnen rekenen, heb je deze afstand nodig in meters. Om de gemeten hoek tussen S2 en Sgr A* om te kunnen rekenen naar meters, heb je de afstand van de Aarde tot Sgr A* nodig. Maar het bepalen van afstanden in ruimte is lastig.

Gelukkig weten we dat Sgr A* zich in het midden van de Melkweg bevindt, en de afstand tot dat middelpunt bepalen is aanzienlijk eenvoudiger dan tot een zwart gat. Per slot van rekening draait de hele Melkweg om dat middelpunt, en je kan die symmetrie gebruiken om het middelpunt te bepalen. Harlow Shapley was in 1918 de eerste die dit argument gebruikte en de afstand bepaalde met een voor die tijd verrassende nauwkeurigheid. Tegenwoordig gebruiken we 27.000 lichtjaar als de afstand tot het midden van de Melkweg (een lichtjaar is de afstand die het licht in één jaar aflegt, en dat is ongeveer 10.000 miljard kilometer). Met deze afstand en met de gemeten hoek tussen Sgr A* en S2 kunnen we hun onderlinge afstand uitrekenen; die is ongeveer 5 lichtdagen.

Vervolgens kunnen we de omlooptijd van 15,2 dagen en de afstand van 5 lichtdagen tussen S2 en het zwarte gat gebruiken om de massa van het zwarte gat te berekenen. Deze berekening komt op ongeveer 3

[p. 937]

miljoen keer de massa van de Zon. We hebben het tot dusverre steeds over een superzwaar zwart gat gehad, maar dat hadden we helemaal nog niet aangetoond. Met een massa van 3 miljoen keer de massa van de Zon binnen een afstand van minder dan 5 lichtdagen blijft echter alleen die éne mogelijkheid over.

De ster S2 trekt baantjes rond het zwarte gat, en zo zijn er nog miljoenen andere sterren die precies hetzelfde doen. Toch vallen ze er niet in, terwijl het zwarte gat ze reuzesterk aantrekt. Het komt door de hoge snelheid van S2 dat deze niet in het zwarte gat valt. Zolang de sterren en planeten rondom hun centrale ster blijven bewegen is er geen reden om erin te vallen; Jupiter en de Aarde worden ook niet door de Zon verzwolgen. Zelfs als de Zon in een zwart gat zou veranderen, zouden wij daar niets van merken, behalve dat het licht uit zou gaan.

De crèche van Sgr A*

De ster S2 wordt in zijn omloop om het zwarte gat vergezeld door een tiental andere sterren, die S1 tot en met S11 worden genoemd. S2 is zodoende een familielid van sterren die allemaal een baan rond het zwarte gat hebben. Voor iedere ster is een onafhankelijke meting van de massa van het zwarte gat mogelijk.

De S-sterren, zoals ze doorgaans worden genoemd, zijn jonger dan 10 miljoen jaar. Voor een ster is dat piepjong. De Zon is ongeveer 4,6 miljard jaar oud; dat is bijna duizend keer ouder dan de S-sterren. Dat

Figuur 5. Mozaïek van het nabije sterrenstelsel in Andromeda (M31). Genomen door Robert Gendler vanuit zijn garage nabij Hartford, Massachusetts (vs).

[p. 938]

is al een heel groot verschil in leeftijd, maar Sgr A* is nog eens twee keer zo oud als de Zon, en verschrikkelijk veel ouder dan de S-sterren. Dit verschil in leeftijd is enorm, en het is moeilijk te begrijpen hoe een stokoud superzwaar zwart gat in het midden van een groepje piepjonge sterren komt. Je zou het kunnen vergelijken met een 85-jarige crècheleidster die op stap gaat met een dozijn baby's van één maand. Zelfs voor sterrenkundigen is dat een nogal bizarre situatie. Hoe deze crèche in het midden van de Melkweg is ontstaan, is niet bekend.

Hoe uniek is Sgr A*?

Er blijven nog vele vragen onbeantwoord: hoe is het zwarte gat ontstaan, waarom midden in de Melkweg, waarom zo verschrikkelijk veel zwaarder dan alle andere zwarte gaten, hoe komen de S-sterren in een baan rond het zwarte gat? Allemaal vragen waar sterrenkundigen mee worstelen. Langzaam maar zeker komt er gelukkig meer duidelijkheid over het hoe en waarom, en op een gegeven moment zullen we al deze vragen misschien net zo goed begrijpen als wat er tijdens een maansverduistering gebeurt.

Indien je alleen de Melkweg beschouwt lijkt de situatie zoals die zich in zijn centrum voordoet uniek. De Melkweg is echter niet alleen in het heelal. Er zijn meer dan 100 miljard sterrenstelsels zoals de Melkweg. Ieder van die sterrenstelsels heeft een superzwaar zwart gat in het midden, vergelijkbaar met dat in de Melkweg. Goed beschouwd is het zwarte gat in de Melkweg zelfs een van de kleinste. Het superzware zwarte gat in het midden van de Andromeda-nevel, zie figuur 5, is tien keer zo zwaar als Sgr A*. Ieder van die reuzen heeft een compleet sterrenstelsel om zich heen. En mogelijk is er in ieder van die sterrenstelsels een kleine gele Zon die de studeerkamer van een sterrenkundige verlicht die een artikel schrijft over het zwarte gat in het midden van zijn Melkweg.