
Superzware zwarte gaten: hoe doe je onderzoek naar iets wat onzichtbaar is?
Sterrenkunde beeld: NASA Goddard
Hoe worden superzware zwarte gaten geboren? Die vraag probeert sterrenkundige Elena Maria Rossi te beantwoorden. Maar hoe onderzoek je iets wat niet is te zien?
Superzware zwarte gaten zijn de grootste in het universum en zijn te vinden in het centrum van sterrenstelsels, waaronder onze eigen Melkweg. Ze zijn minstens een miljoen keer zwaarder dan de zon. ‘Ik wil graag weten waar en hoe ze worden geboren’, zegt Elena Rossi, hoogleraar Theoretische astrofysica. ‘Dat is een van de grote open vragen in de astrofysica. Als we begrijpen hoe superzware zwarte gaten ontstaan en groeien, begrijpen we ook beter hoe sterrenstelsels, en uiteindelijk wijzelf, zijn gevormd.’
Elena Rossi hield op 23 mei haar oratie ‘The academic I meant to be’, waarin ze terugblikte op haar carrière en vooruitblikte op toekomstig onderzoek.
Zwarte gaten zijn volledig donker en niets, zelfs geen licht, kan eruit ontsnappen. Daardoor zijn ze zelf niet te zien. Toch kunnen astronomen ze waarnemen door de invloed die zwarte gaten hebben op hun omgeving. De onderzoeksgroep van Rossi gebruikt drie verschillende methoden om superzware zwarte gaten te bestuderen. Elk van deze methoden biedt een uniek perspectief op deze onzichtbare reuzen.
Methode 1: Net als Marie Curie
In plaats van rechtstreeks naar het centrum van sterrenstelsels te kijken – een gebied dat moeilijk te bestuderen is vanwege stof en sterren – kijkt Rossi naar sterren die uit sterrenstelsels worden geslingerd. In big data van bijvoorbeeld satelliet Gaia zoekt ze naar deze zogeheten hypervelocity-sterren. Door hun eigenschappen, zoals leeftijd en chemische samenstelling, te analyseren krijgt Rossi meer informatie over hoe zwarte gaten groeien. ‘Het is net als wat Marie Curie deed, toen ze het atoom wilde begrijpen. Zij keek niet naar het atoom, maar naar deeltjes die werden uitgestoten. Wij doen hetzelfde met sterren.’
Methode 2: Lichtflitsen
Soms wordt een ster te dicht naar een zwart gat getrokken en uit elkaar gerukt. Daarbij komt een enorme hoeveelheid licht vrij: een flare. Deze gebeurtenis verraadt de aanwezigheid van een zwart gat. Rossi’s team ontwikkelt een statistische methode om uit deze lichtflitsen informatie te halen over het zwarte gat.
‘Zo kunnen we een kaart maken van zwarte gaten in het heelal, met hun massa’s en eigenschappen’, legt Rossi uit. Die kaart helpt om theorieën over het ontstaan van superzware gaten te testen. Er zijn namelijk twee concurrerende scenario's: zwarte gaten worden klein geboren uit de eerste generatie sterren, of ze worden groot geboren tegelijk met sterrenstelsels.
Methode 3: Zwaartekrachtgolven
Eeuwenlang bestudeerden astronomen het heelal met behulp van licht en andere vormen van elektromagnetische straling. Sinds 2015 bieden zwaartekrachtgolven een nieuwe blik op het universum, toen werden ze voor het eerst ontdekt door LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd waarvan Albert Einstein honderd jaar geleden al voorspelde dat ze bestaan. Ze kunnen worden veroorzaakt door zware objecten die versneld om elkaar heen bewegen, zoals twee samensmeltende zwarte gaten. Je kunt zwaartekrachtgolven vergelijken met een steentje dat je in het water gooit. Op de plek waar het steentje het water raakt ontstaat een rimpeling, die zich steeds verder uitbreidt.
Rossi onderzoekt of sommige van deze signalen afkomstig zijn uit de centra van sterrenstelsels, waar ook superzware zwarte gaten voorkomen. ‘Als we dat kunnen aantonen, leren we meer over de omgeving van zwarte gaten: hoeveel gas er is, hoeveel andere zwarte gaten er zijn en hoe ze met elkaar in wisselwerking staan.’ Om dit te kunnen doen heeft ze een statistische methode ontwikkeld.
Nieuwe ruimtemissie
Ook werkt ze samen met een heleboel andere wetenschappers aan de nieuwe ruimtemissie LISA (lancering gepland in 2035), die in de ruimte zwaartekrachtgolven kan meten. ‘Ik kijk nu naar signalen van ongeveer tien miljard jaar na de oerknal. Met LISA kunnen we verder terug in de tijd kijken, tot vlak na de oerknal. Ik ben net een archeoloog. Dankzij LISA kunnen we het verleden direct zien en zeggen hoe zwarte gaten worden geboren. Het is fantastisch om hier deel van uit te maken.’
Afbeelding: Een illustratie van een superzwaar zwart gat.