Concept van een zwart gat dat werkt als een lens op achtergrondlicht. Gestippelde Yeti/Shutterstock
Astronomen maakten in 2019 voor het eerst een direct beeld van een zwart gat, dankzij materiaal dat gloeide in zijn aanwezigheid. Maar veel zwarte gaten zijn eigenlijk bijna onmogelijk te detecteren. Nu lijkt een ander team met behulp van de Hubble-ruimtetelescoop eindelijk iets te hebben gevonden dat nog niemand eerder heeft gezien: een zwart gat dat volledig onzichtbaar is. Het onderzoek, dat online is geplaatst en is ingediend voor publicatie in het Astrophysical Journal, moet nog aan peer-review worden onderworpen.
Zwarte gaten zijn wat overblijft nadat grote sterren sterven en hun kernen ineenstorten. Ze zijn ongelooflijk dicht, en de zwaartekracht is zo sterk dat niets snel genoeg kan bewegen om eraan te ontsnappen, ook licht niet. Astronomen bestuderen zwarte gaten graag omdat ze ons veel kunnen vertellen over de manier waarop sterren sterven. Door de massa’s van zwarte gaten te meten, kunnen we te weten komen wat er gebeurde in de laatste momenten van sterren, toen hun kernen instortten en hun buitenste lagen werden uitgestoten.
Het lijkt misschien dat zwarte gaten per definitie onzichtbaar zijn – ze hebben hun naam immers verdiend aan hun vermogen om licht op te vangen. Maar we kunnen ze toch waarnemen door de manier waarop ze met andere objecten reageren, dankzij hun sterke zwaartekracht. Honderden kleine zwarte gaten zijn ontdekt door de manier waarop ze met andere sterren interageren.
Er zijn twee verschillende benaderingen om ze te detecteren. In “röntgenbinaire sterren” – waarbij een ster en een zwart gat om een gedeeld centrum draaien en röntgenstraling produceren – kan het zwaartekrachtsveld van een zwart gat materiaal van zijn metgezel aantrekken. Het materiaal cirkelt rond het zwarte gat en wordt daarbij door wrijving verhit. Het hete materiaal gloeit fel op in röntgenlicht, waardoor het zwarte gat zichtbaar wordt, voordat het in het zwarte gat wordt gezogen en verdwijnt. Je kunt ook paren van zwarte gaten waarnemen wanneer ze samensmelten, een spiraal naar binnen vormen en een korte flits van gravitatiegolven uitzenden, dat zijn rimpelingen in de ruimtetijd.
Eerste afbeelding van een zwart gat.
Event Horizon Telescope samenwerking et al.
Er zijn echter veel zwarte gaten die door de ruimte zweven zonder met iets in wisselwerking te staan – waardoor ze moeilijk te detecteren zijn. Dat is een probleem, want als we geïsoleerde zwarte gaten niet kunnen detecteren, dan kunnen we ook niets leren over hoe ze zijn ontstaan en over de dood van de sterren waar ze vandaan komen.
Nieuwe, donkere horizonnen
Om zo’n onzichtbaar zwart gat te ontdekken, moest het team van wetenschappers gedurende meerdere jaren twee verschillende soorten waarnemingen combineren. Deze indrukwekkende prestatie belooft een nieuwe manier om de voorheen ongrijpbare klasse van geïsoleerde zwarte gaten te vinden.
Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie voorspelde dat massieve objecten licht zullen afbuigen als het langs hen reist. Dat betekent dat licht dat heel dicht bij een onzichtbaar zwart gat komt – maar niet dicht genoeg om er in terecht te komen – zal worden afgebogen op een vergelijkbare manier als licht dat door een lens valt. Dit wordt gravitatielens genoemd, en kan worden waargenomen wanneer een voorgrondobject op één lijn ligt met een achtergrondobject, waardoor het licht van dat object wordt afgebogen. De methode is al gebruikt om alles te bestuderen, van clusters van melkwegstelsels tot planeten rond andere sterren.
De auteurs van dit nieuwe onderzoek combineerden twee soorten gravitatielenswaarnemingen in hun zoektocht naar zwarte gaten. Het begon ermee dat zij het licht van een verre ster plotseling zagen uitvergroten, waardoor het even helderder leek voordat het weer terugging naar normaal. Ze konden echter geen voorgrondobject zien dat de vergroting veroorzaakte via het proces van gravitatielens. Dat suggereerde dat het object een eenzaam zwart gat zou kunnen zijn, iets wat nog nooit eerder was gezien. Het probleem was dat het ook gewoon een zwakke ster had kunnen zijn.
Om uit te zoeken of het een zwart gat of een zwakke ster was, was veel werk nodig, en dat is waar het tweede type gravitatielenswaarnemingen om de hoek kwam kijken. De auteurs maakten zes jaar lang herhaaldelijk opnamen met de Hubble, en maten hoe ver de ster leek te bewegen als zijn licht werd afgebogen.
Uiteindelijk konden zij zo de massa en afstand berekenen van het object dat het lenseffect veroorzaakte. Zij ontdekten dat het ongeveer zeven maal de massa van onze zon had en dat het zich op ongeveer 5000 lichtjaar afstand bevond, wat ver weg klinkt, maar in feite relatief dichtbij is. Een ster van die grootte en zo dichtbij zou voor ons zichtbaar moeten zijn. Omdat we hem niet kunnen zien, concludeerden ze dat het een geïsoleerd zwart gat moet zijn.
Zoveel waarnemingen doen met een observatorium als de Hubble is niet makkelijk. De telescoop is erg populair en er is veel concurrentie voor zijn tijd. En gezien de moeilijkheid om een object als dit te bevestigen, zou je denken dat de vooruitzichten om er meer te vinden niet geweldig zijn. Gelukkig staan we aan het begin van een revolutie in de astronomie. Dit is te danken aan een nieuwe generatie faciliteiten, waaronder het lopende Gaia-onderzoek, en het aanstaande Vera Rubin-observatorium en de Nancy Grace Roman-ruimtetelescoop, die allemaal herhaalde metingen van grote delen van de hemel in ongekend detail zullen verrichten.
Dat zal enorm zijn voor alle gebieden van de astronomie. Met regelmatige, zeer nauwkeurige metingen van zo’n groot deel van de hemel zullen we massaal dingen kunnen onderzoeken die op zeer korte tijdschalen veranderen. We zullen dingen als asteroïden, exploderende sterren (supernova’s) en planeten rond andere sterren op nieuwe manieren bestuderen.
Wat het zoeken naar onzichtbare zwarte gaten betreft, betekent dit dat we niet zullen vieren dat we er maar één hebben gevonden, maar dat we er binnenkort zoveel zullen vinden dat het routine wordt. Dat zal ons in staat stellen de gaten op te vullen in ons begrip van de dood van sterren en het ontstaan van zwarte gaten.
Uiteindelijk zullen de onzichtbare zwarte gaten in het heelal zich veel moeilijker kunnen verbergen.
Adam McMaster ontvangt financiering van de Science and Technology Facilities Council, DISCnet, en de Open University Space SRA.
Andrew Norton heeft eerder financiering ontvangen van de UK Science & Technology Facilities Council.