Zwarte gaten - Sterrenkunde RU Nijmegen

Zwarte gaten
Prof. dr Jan Kuijpers
Open Dag Sterrenkunde, Katholieke Universiteit Nijmegen, 1 juni 2002,
B-Faculteit, Toernooiveld 1, 10 – 15.30 uur
www.astro.kun.nl
Zwarte gaten: Harry Potter of Albert Einstein?
Magie en sterrenkunde liggen een wereld uit elkaar maar mysterieus is de
astrofysica van zwarte gaten meer dan ooit. Je zou niet zeggen dat het 86
jaar is geleden dat ze voorspeld zijn, in 1916, een jaar na Einstein’s
Algemene Relativiteitstheorie, en wel door een Duitse officier aan het
oostfront in de Eerste Wereldoorlog, Karl Schwarzschild, een wereldberoemd
sterrenkundige. In de Russische frontlinies werkte hij door aan de
consequenties van de zojuist gepubliceerde Algemene Relativiteitstheorie en
schreef hij tweemaal een artikel met berekeningen die hij opstuurde naar
Albert Einstein, toen in Potsdam, met het verzoek deze voor te lezen op de
komende zittingen van de Pruisische Academie van Wetenschappen Vier
maanden later stierf hij als gevolg van een in de oorlog opgelopen ziekte, 40
jaar oud. Later zou ook zijn zoon Martin Schwarzschild, in 1997 gestorven,
eveneens wereldfaam verwerven als sterrenkundige, en wel als grondlegger
van de theorie van de steropbouw.
Pas de laatste jaren staan zwarte gaten echt in de belangstelling, en
met recht: eerst nu beschikken we over de gevoelige instrumenten om zwarte
gaten goed waar te nemen zoals de, gedeeltelijk Europese, Hubble Space
Telescoop (HST), de röntgensatelliet Chandra, de telescopen op La Palma,
de Very Large Telescope (VLT) van de Europese zuidelijke sterrenwacht
ESO in Chili en niet te vergeten onze eigen Westerbork Synthese Radio
Telescoop, een van de beste radiotelescopen ter wereld. Om je een idee te
geven hoe goed deze telescopen zijn: met de HST kun je details zien zo groot
als een dubbeltje op een afstand van hier naar Japan. en met de WSRT kun
je radiogolven uit het verre heelal waarnemen zo zwak als een fietslampje.
Kun je zwarte gaten dan zien?
Het gat zelf kun je niet zien maar wat er invalt juist heel goed. Om te begrijpen
wat een zwart gat is kun je het beste uitgaan van een grote massabol zoals
een ster of een planeet en je afvragen hoe de ontsnappingssnelheid aan het
oppervlak van de bol afhangt van zijn massa en straal. De
ontsnappingssnelheid hangt namelijk af van de massa; hoe groter de massa,
bij dezelfde straal, des te groter de ontsnappingssnelheid. Maar zij hangt ook
van de straal af; zij wordt kleiner wanneer de straal bij gelijkblijvende massa
toeneemt. Wanneer je aan die planeet of ster steeds meer massa blijft
toevoegen wordt de ontsnappingssnelheid groter dan het licht. De bol houdt
dan op te schijnen en wordt een “zwarte ster”. Dat is precies de conclusie
waartoe de Engelse natuurwetenschapper John Michell kwam in 1783. Sinds
de experimenten van Ole Roemer in de 17e eeuw was immers al bekend dat
de lichtsnelheid eindig was. Sinds Einstein weten we dat niets sneller dan het
licht kan gaan en dus kan de buitenwereld buiten zo’n zwart object ook nooit
te weten komen wat er precies binnenin gebeurt. Je kunt namelijk wel zo’n
object binnengaan maar er nooit meer uitkomen om na te vertellen wat je
gezien hebt en ook je radioverbinding valt weg wanneer je in dat object bent
gevallen. Ook radiogolven gaan immers met de lichtsnelheid. De afstand tot
het centrum van het object waar de ontsnappingssnelheid de lichtsnelheid
bereikt wordt de horizon van dat object genoemd, een term die door
Wolfgang Rindler op Cornell University is voorgesteld in de 50er jaren.
Toch kun je een zwart gat, zoals zo’n ingestorte of “bevroren” ster
genoemd wordt sinds de Amerikaanse theoretische natuurkundige John
Wheeler de naam voor het eerst bedacht in 1967, vanaf een veilige afstand
goed waarnemen, en wel door het gedrag van materie die er in de buurt komt.
Het zwarte gat heeft namelijk massa en oefent dus zijn zwaartekracht uit op
alles erbuiten. Je zou je zelfs kunnen voorstellen dat er planeten draaien om
zo’n object in plaats van om een lichtende ster als de Zon. In feite is een
zwart gat zo’n compacte vorm van materie dat de zwaartekracht gigantisch
wordt als je te dichtbij komt. De afstand waar de ontsnappingssnelheid de
lichtsnelheid wortd, heet de horizon van het zwarte gat. Voor ons,
waarnemers erbuiten, vormt deze afstand ook letterlijk een horizon
waarvoorbij we niet kunnen zien.
Als de horizon de plaats aangeeft waar de ontsnappingssnelheid de
lichtsnelheid is, moet hij ook precies de plaats zijn waar een brokstuk dat van
grote afstand invalt zelf de lichtsnelheid bereikt. Wanneer nu niet een
brokstuk maar een gaswolk naar het zwarte gat valt, krijgen de talloze
gasdeeltjes in de wolk extreem grote snelheden. Door onderlinge botsingen
wordt de valenergie omgezet in verhitting, en bij de snelheden waar we hier
mee te maken hebben krijgt ook de temperatuur extreem hoge waarden. Het
gas gaat daardoor fel stralen, aanvankelijk in het zichtbare gebied en allengs
in het ultraviolet en vervolgens in het röntgengebied. Deze grote hoeveelheid
röntgenstraling is nu precies wat er voor gezorgd heeft dat de eerste zwarte
gaten zijn gedetecteerd, zij het dus indirect, en wel bij röntgendubbelsterren
en kernen van Actieve Sterrenstelsels.
De beste energiebron: een zwart gat!
Vreemd genoeg kan juist een zwart gat – dat immers zelf onzichtbaar is – het
meest efficiënt energie vrijmaken! Waar in het binnenste van een ster bij
kernfusie van waterstof naar helium minder dan een procent van de massa in
stralingsenergie wordt omgezet, is dit percentage bij inval van gas in een
zwart gat bijna 10 %!
In 1937 werd zelfs voorgesteld door de beroemde Russische
theoretische natuurkundige Lev Landau dat dit proces verantwoordelijk zou
zijn voor het licht dat door de Zon wordt uitgezonden. Kernfusie, waarvan later
zou blijken dat die de energiebron vormt in gewone steren als de Zon, was
toen nog niet goed bekend, maar zwarte gaten – theoretisch althans – wel!
Landau deed zijn voorstel in een naar het Westen gestuurde publikatie voor
het tijdschrift Nature. Hij wilde op die manier – door westerse
naamsbekendheid – voorkomen dat hij als leidend intellectueel door Stalin
zou worden opgesloten, tevergeefs overigens. In april 1938 werd hij
2
gearresteerd door de KGB op beschuldiging van spionage voor Duitsland. Na
een jaar kwam hij vrij omdat Piotr Kapitsa, een van de grootste Russische
experimentele natuurkundigen van zijn tijd, rechtstreeks aan Moskou had
duidelijk gemaakt dat Landau de enige natuurkundige in Rusland was die het
verschijnsel van superfluditeit in vloeistoffen kon oplossen. Landau werd
vrijgelaten, loste het probleem op, kreeg de Nobelprijs en stierf kort daarna.
Nu nog vormt de reeks boeken die Landau schreef een van de beste en
meest diepgaande seriewerken van de hele natuurkunde waar de
geavanceerde student in Nijmegen en elders hun voordeel mee doen.
Welke zwarte gaten heeft men waargenomen?
Zwarte gaten neemt men dus indirect waar door hun zwaartekrachtwerking op
hun omgeving. Rond een zwart gat zal materie snel bewegen. Neemt men
bijvoorbeeld van een dubbelster waar dat er één duidelijk zichtbare ster is die
een baan beschrijft om een nagenoeg onzichtbare begeleider dan kunnen we
uit de de baanbeweging van de zichtbare ster afleiden hoeveel massa de
begeleider heeft. Zou de begeleider een gewone ster zijn met die massa dan
kunnen we schatten hoeveel licht hij zou moeten uitzenden, en als dat niet
wordt waargenomen vormt dat een goede aanwijzing dat we met een zwart
gat te maken hebben. Zo zijn er een aantal zwarte gaten in dubbelsterren
waargenomen met een vermoedelijke massa van een tiental zonsmassa’s.
Dit soort dubbelstersystemen geeft vaak grote activiteit in
röntgenstraling en radiostraling te zien met plotselinge explosies die eigenlijk
alleen goed kunnen worden verklaard indien hoog-energetische deeltjes in
magneetvelden bewegen, bijvoorbeeld bij Cyg X-1. Een aantal jaren geleden
hebben wij daarvoor met collega’s in Utrecht een model voorgesteld op grond
van onze kennis van een veel dichter bij huis staand object dat eveneens
magnetische explosies te zien geeft, de bekende zonnevlammen van onze
Zon.
Schets van een elektromotor die gedreven wordt door beweging van heetgas in een magneetveld bij
een zwart gat.
3
Een recent voorbeeld van een dubbelster met zwart gat is XTEJ1118+480. Het gat heeft een massa van
7 zonsmassa’s en heeft intense straalbundels en een schijf van heet gas om zich heen, afkomstig van
een begeleidende ster. Het systeem schiet met een snelheid van 145 km/s door de ruimte op een
afstand van 6000 lichtjaar en is vermoedelijk ontstaan in een bolhoop vóór de vorming van het grootste
deel van ons Melkwegstelsel en daarna uitgeworpen (NASA/F.Mirabel).
Een heel ander voorbeeld vormt het verrmoedelijke zwarte gat in
Sagittarius A, het centrum van ons eigen Melkwegstelsel. De massa daarvan
is uit de snelheden van een wolk sterren bepaald die kriskras om het zwarte
gat heen draaien. Bijna drie miljoen zonsmassa’s is dit zwarte gat zwaar.
In het centrum van ons Melkwegstelsel bevindt zich de radiobron Sagittarius A (hier in rood). Onlangs is
door de satelliet Chandra ook röntgenstraling gevonden (hier in blauw weergegeven). Het geheel is
4
vermoedelijk het gevolg van een explosieve gebeurtenis honderdduizenden jaren geleden bij het zwarte
gat in het centrum van het Melkwegstelsel (Bron: NASA/Nobeyama/NRAO/VLA).
Vooral dankzij de HST is inmiddels gebleken dat er vele superzware
zwarte gaten van 100 miljoen tot een miljard zonsmassa’s voorkomen in de
kernen van Actieve Sterrenstelsels. Zo heeft een groep van de Leidse
sterrenwacht overtuigend het bestaan van een zwart gat van 3 miljoen
zonsmassa’s kunnen aantonen in M32, een klein satellietstelsel van de
Andromedanevel, dat zelf erg lijkt op ons Melkwegstelsel en dat zo dicht
bijstaat dat het ‘s winters bij ons met het blote oog aan de hemel te zien is.
Ook het Andromedastelsel heeft minstens één zwart gat in zijn kern. Ook in
andere sterrenstelsels bij ons in de buurt zijn inmiddels zwarte gaten
gevonden variërend van een miljoen tot een miljard zonsmassa’s.
M87 is een gigantisch sterrenstelsel in de Virgo cluster op 50 miljoen afstand dat ook op
radiogolflengten zichtbaar is (als Virgo A). Linksboven is de radiostarling van de kern te zien met een
uitgaande bundel. Rechtsboven in de opname met de HST is de bundel ook in het zichtbare gebied te
zien. Onderaan is het binnengebied met bundel weergegeven. De activiteit wordt veroorzaakt door een
gigantisch zwart gat van twee miljard zonsmassa;s.
5
NGC4438 is een ander sterrenstelsel in de Virgo cluster op 50 miljoen lichtjaar afstand, eveneens met
een superzwaar zwart gat. De bundels die door het zwarte gat worden uitgezonden blazen reusachtige
bellen van heet gas (rechtsonder) met een afmeting van 800 lichtjaar (HST/STScI).
Van vier sterrenstelsels zijn in de middelste kolom de centrale delen weergegeven zoals ze met de HST
zijn waargenomen. Uit de lichtverdeling in de kernen en de stersnelheden kunnnen de massa’s van de
centrale zwarte gaten worden berekend (meest rechtse kolom) (HST/STScI).
6
Gaan we nog verder weg in het heelal tot op een afstand van 10
miljard lichtjaar dan treffen we daar zogenoemde quasars aan, sterrenstelsels
met een enorme heldere kern. We vermoeden dat ook deze stelsels hun
centrale energie betrekken uit inval van gas en sterren in een superzwaar
zwart gat. Het merkwaardige is dat dichterbij huis sterrenstelsels met even
zware zwarte gaten veel rustiger zijn en we vermoeden dat dit komt omdat het
meeste gas door het centrale monster, het zwarte gat inmiddels is
opgesoupeerd. Daarmee is de “brandstof” verdwenen en laat het zwarte gat
minder van zich merken.
Op een afstand van tien miljard lichtjaar staat een quasar, hier midden in beeld. De quasar is een
sterrenstelsel met een enorm heldere kern die zijn energie krijgt door inval van gas en sterren in een
superzwaar zwart gat van een miljard zonsmassa’s of meer (ESO).
De horizon van een zwart gat
Zwarte gaten zijn er in soorten. Je hebt zwarte gaten van grote en van kleine
massa. Hoe groter de massa hoe groter de horizon van een zwart gat is. Je
kunt dat het beste zien aan de afmeting van de omtrek van de horizon – de
straal zelf doet namelijk nogal raar, die is veel groter dan je zou denken als je
geen rekening houdt met de relativiteitstheorie.
7
De omtrek van de horizon is ongeveer 20 km maal de massa van het zwarte
gat uitgedrukt in zonsmassa’s. Hieronder staan enkele voorbeelden gegeven
van objecten met hun horizonomtrek. Zou je het dus klaarspelen om het
object te persen binnen die omtrek dan zou het een zwart gat worden:
Aarde:
Zon:
Melkwegstelsel:
3 cm
20 km
4000 miljard km
Straling die op de horizon wordt uitgezonden ontsnapt net niet meer naar
buiten. Iets er boven kan straling nog wel ontsnappen maar de frequentie
wordt sterk naar lagere frequenties (het “rood”) verschoven. Dit gaat samen
met een langzamer verlopen van de tijd in de buurt van de horizon. Op de
horizon lijkt de tijd voor een ver weg staande waarnemer stil te staan. Van
een invallend object zien we uiteindelijk een stilstaand of “bevroren” beeld.
Behalve grote en kleine zwarte gaten heb je ook draaiende en stilstaande
zwarte gaten. Zo’n draaiend zwart gat is bij uitstek geschikt om energie aan te
onttrekken. Dit komt omdat de ruimte vlak boven de horizon van zo’n draaiend
gat wordt meegesleurd met de draaiing. Zelfs als je zou willen kun je daar in
een ruimteschip niet tegenin gaan. Dergelijke zwarte gaten zouden ook
gigantische elektromotoren kunnen vormen als er magneetveld in de buurt is.
Een van de meest specatculaire resulaten van het Utrechtse ruimteonderzoek
van de laatste tijd is de vondst van zo’n draaiend zwart gat.
8
Schets van het meesleuren van de ruimte rond een draaiend zwart gat (J. Bergeron, Sky & Telescope
Magazine)
Hoe ontstaat een zwart gat?
In één woord: door de zwaartekracht.
Supernovae. In het heelal trekken zich voortdurend gaswolken samen
onder invloed van hun eigen zwaartekracht. Dat proces van samentrekking
komt voor kortere of langere tijd tot stilstand zodra zich sterren vormen. Als
we het over kort hebben bedoelen wij astronomen een miljoen jaar, in ieder
geval veel korter dan de 15 miljard jaar dat ons heelal nu bestaat. In het
binnenste van een ster zorgt kernfusie voor een enorme energieproductie en
de druk die daarbij ontstaat kan gemakkelijk de zwaartekracht tegenwerken
en de inkrimping van de gasbol tijdelijk stopzetten. Maar, op een gegeven
ogenblik is alles in het binnenste in ijzer omgezet en dan kan er geen energie
meer uit kernfusie komen. Het binnenste van een ster stort dan in tot een
compact object. Zo’n compact object kan zijn een witte dwerg – met een
massa zoveel als de Zon maar een straal zo klein als de Aarde – of een
neutronenster – ook met een massa als de Zon maar nu met een straal van
slechts 10 kilometer – of een zwart gat. Dat laatste gebeurt als de moederster
voldoende zwaar is, we denken nu zwaarder dan 20 zonsmassa’s. De
implosie die dan plaatsvindt aan het einde van het leven van een ster zorgt
ervoor dat de buitenlagen van de ster worden afgeblazen en een supernova
of zelfs een hypernova te zien geeft.
Het onderzoek in Nijmegen
Het onderzoek van al deze compacte objecten – witte dwergen,
neutronensterren en zwarte gaten – is een Nijmeegs zwaartepunt en vormt
een onderdeel van de Hoge Energie Astrofysica. In Nijmegen zijn we daar
ook goed voor toegerust, niet alleen door het eerder onderzoek dat door Paul
9
Groot en mijzelf op dit gebied is gedaan maar ook door de samenwerking met
de gerenommeerde Nijmeegse onderzoeksgroepen in de Experimentele en
de Theoretische Hoge Energie Fysica. Inmiddels zijn vier promovendi aan het
werk aan verschillende aspecten van deze compacte objecten waarbij we
ondermeer gebruik maken van experimenten op CERN (drs Martin van den
Akker), van de Westerbork Synthese Radio Telescoop en natuurlijk van de
telescopen op La Palma en de HST. Een bijzonder punt van
gemeenschappelijke aandacht is de oorsprong van de kosmische straling,
versnelde kernen met energieën die soms kunnen oplopen tot de energie in
een professioneel geslagen golfbal maar dan in een submicricoscopisch klein
deeltje! Een ander onderwerp van onderzoek vormen radiopulsars die
eigenlijk snel draaiende magnetische neutronensterren blijken te zijn en die
goed met de WSRT kunnen worden bestudeerd (werk van drs Roy Smits).
Interessant is vooral de analogie tussen de instense radiostraling van de
pulsar en de Vrije-Elektronen Laser (werk van drs Pui-Kei Fung in
samenwerking met TUE). Ook de relativistisch snelle wind die door zo’n
pulsar wordt gemaakt is een intrigerend probleem waaraan wij werken.
Schets van de magnetische veldlijnen in de extreem snelle wind die door een pulsar wordt uitgezonden.
De veldlijnen van de noordpool zijn getrokken, die van de zuidpool gestreept. Er zijn drie verschillende
delen in de wind: de twe bundels met veldlijnen alle naar buiten respectievelijk naar binnen, en de
equatoriale wind met een afwisselend “gesteeepte” verdeling van veldlijnen.
Röntgendubbelsterren. Indien zo’n zwart gat deel uitmaakt van een
dubbelstersysteem kan het gemakkelijk zichtbaar worden zodra de begeleider
opzwelt en brandstof aan het zwarte gat aanlevert. Het systeem wordt dan
een röntgendubbelster.
Kernen van Actieve Sterrenstelsels en van ons Melkwegstelsel. Hoe
zo’n superzwaar zwart gat ontstaat daar zijn we minder zeker van. We
denken nu dat zich bij het allereerste begin van de vorming van een
sterrenstelsel, wanneer een gigantische gaswolk zich samentrekt, een eerste
generatie zeer zware sterren vormt van honderden zonsmassa’s of misschien
wel meer. Onherroepelijk moeten deze gigantische sterren zeer snel leiden tot
10
de vorming van zwarte gaten die dan mischien met elkaar versmelten tot een
reusachtig gat en zo de kiem vormevan het latere sterrenstelsel.
Hypernovae en Gammaflitsers. Een van de meest raadselachtige
ontdekkingen van de laatste jaren zijn de gammaflitsers. Paul Groot was de
eerste sterrenkundige ter wereld die de afstand van een van die
gammaflitsers kon bepalen met de groep in Amsterdam waar hij toen werkte.
Ze blijken op kosmologische afstanden te staan, in ver verwijderde
sterrenstels. We denken nu dat die gammaflitsers te maken hebben met de
vorming van zwarte gaten in een hypernova of bij de versmelting van een
compacte dubbelster. We onderzoeken nu of de enorme hoeveelheid
zwaartekrachtsstraling – een andere uitvinding van Einstein – een rol speelt in
de productie van het verzengende licht van de gammaflitser (drs Joachim
Moortgat).
Schets van een dubbelster van twee neutronensterren, elk met hun magneetveld en supersnelle wind,
vlak voor de korte periode dat ze onder uitzending van een enorme hoeveelheid gravitatiestraling op
elkaar storten en een GRB produceren.
Om een idee te geven van de energie, wanneer zo’n gammaflitser zich in ons
eigen Melkwegstelsel zou bevinden zou al het leven in de oceanen tot op een
diepte van 200 meter worden vernietigd, al is het misschien een troost te
weten dat dat alleen gebeurt op de helft van de Aarde die naar de
gammaflitser is toegekeerd.
Enkele zwarte gaten in het heelal en hun massa’s
Cyg X-1
15 zonsmassa
Kern van ons Melkwegstelsel
drie miljoen zonsmassa
M87
twee miljard zonsmassa
Quasar HE1013-2136
een miljard zonsmassa
Tijdmachines?
11
Zwarte gaten hebben heel merkwaardige eigenschappen. Zo verloopt de tijd
bij een zwart gat langzamer vergeleken met de tijd van iemand die op grote
afstand van het zwarte gat is, en wel des te langzamer naarmate je je dichter
bij de horizon van het gat bevindt. Zo is in het theorie mogelijk met een
ruimteschip een aantal jaren vlak boven de horizon om een zwart gat heen te
cirkelen en dan bij terugkomst de Aarde weer te zien zoals die er over
miljoenen jaren uit ziet. Zwarte gaten staan je dus toe in de tijd te reizen maar
alleen voorwaarts, nooit terug in de tijd. Er is wel voorgesteld dat je ook in de
tijd terug zou kunnen reizen via zogenemde wormgaten, ook een vinding van
de relativiteitstheorie, maar de meeste onderzoekers geloven daar niet in. Het
zou onze wereld van oorzaak en gevolg op zijn kop zetten. Aan de andere
kant, wie weet, ook zwarte gaten werden tientallen jaren niet voor mogelijk
gehouden ondermeer door Einstein zelf!
12