Prof. Falcke leidt jacht op het zwarte gat

Falcke leidt een internationaal megaproject. Onderzoekers proberen een glimp op te vangen van een onzichtbaar, superzwaar zwart gat in het centrum van de Melkweg, het sterrenstelsel waartoe ook de zon behoort. „We werken op de grenzen van ons wetenschappelijke kunnen”, zegt Falcke op zijn werkkamer.

Toen Albert Einstein (1879-1955) in 1915 zijn algemene relativiteitstheorie publiceerde, had niemand van zwarte gaten gehoord. Maar het bestaan van zwarte gaten bleek theoretisch wel mogelijk. Falcke: „Deze heel kleine gebiedjes in het heelal doen niet anders dan energie en materie opslurpen.” Ze prikkelden de fantasie en een stroom van sciencefictionverhalen was het gevolg.

Een zwart gat is heel lastig voor te stellen als ruimtelijk object: materie bevindt zich er permanent in een toestand van vrije val. Zelfs licht kan er niet uit ontsnappen (Zie ”Twee soorten zwarte gaten”). Dat maakt het fotograferen van een zwart gat heel lastig.

Zwarte gaten bleven theorie totdat astronomen ze ontdekten in centra van verre melkwegstelsels; ze bleken radiogolven uit te zenden. De gedachte vatte post dat ook onze Melkweg in het midden een zwart gat zou kunnen hebben. In de jaren zeventig van de vorige eeuw ontdekten Amerikaanse astronomen midden in de Melkweg inderdaad een object dat radiogolven uitzendt; dat zou weleens een zwart gat kunnen zijn. Deze ontdekking werd binnen enkele maanden door Nederlandse astronomen bevestigd.

Pionierswerk

Falcke heeft tijdens zijn promotieonderzoek in de jaren 90 van de vorige eeuw veel pionierswerk gedaan toen hij het verband onderzocht tussen zwarte gaten en de frequentie van radiogolven. „Toen bleek: hoe hoger de frequentie, hoe dichter we kwamen bij de waarnemingshorizon van een zwart gat.”

De waarnemingshorizon is de uiterste grens van wat er nog te zien is van een zwart gat. Daarachter verdwijnt alles, ook licht. De afstand van de waarnemingshorizon tot het midden van een zwart gat wordt Schwarzschildstraal genoemd.

„Uit nauwkeuriger berekeningen in 2000 volgde dat we een donkere schaduw zouden moeten kunnen zien, die een factor 5 groter is dan het zwarte gat zelf. Dit komt door de zogeheten lenswerking van een zwart gat, die zijn eigen waarnemingshorizon vergroot. Als we maar zouden kunnen beschikken over een radiotelescoop die groot genoeg is.”

:::embed_link 1:::

Ook bleken zware sterren in het centrum van de Melkweg net als planeten om een centraal punt te draaien. „Hoe dichter bij het centrum, hoe sneller de sterren bewegen. Van twee sterren weten we dat ze een omlooptijd hebben van 15 tot 17 jaar; een van die twee sterren heeft een gemeten snelheid van 10.000 kilometer per seconde.”

Binnen een cirkel van zo’n 4 lichtjaar om het centrum van de Melkweg bevinden zich een paar miljoen sterren, weet de hoogleraar. „Daar speelt zich een indrukwekkend spektakel af. Er bevindt zich dus in het midden een heel vreemd, zwaar object, dat de sterren aantrekt, maar dat zich niet zomaar laat zien”, concludeert de hoogleraar. „Met Einsteins theorie in de hand is de beste verklaring dat zich daar een superzwaar zwart gat moet bevinden.”

Jets

Dat enorme zwarte gat in het centrum van de Melkweg draagt de naam Sagittarius A*. Het moet zo’n 4 miljoen keer zo zwaar zijn als de zon, maar heeft een stralingsintensiteit van dertig keer die van de zon.

Falcke: „Sterren in de buurt van het centrum verliezen voortdurend heet gas dat vervolgens in het zwarte gat verdwijnt. Van alle massa en energie die in het zwarte gat terechtkomt, wordt 97 procent opgeslokt en 3 procent als radiogolven uitgezonden in zogeheten jets. Het zwarte gat wordt dus voortdurend zwaarder.”

Ook de digitale techniek is te hulp geroepen om het zwarte gat te verbeelden. Jordy Davelaar, promovendus bij Falcke, ontwikkelde een ‘levensecht’ 3D-model van Sagittarius A*. „Wij zouden hier graag een ”zwartgatachtbaan” voor een pretpark van willen maken.”

Met een uitnodigend „ga maar zitten”, reikt hij een virtualrealitybril aan en start de animatie. De kijker waant zich een object dat wordt aangetrokken door het zwarte gat. Hij cirkelt met duizelingwekkende snelheden in het rond, terwijl het zwarte gat onheilspellend nadert. Op een gegeven moment belandt de kijker in jets van radiogolven die het zwarte gat uitzendt, precies voor hij wordt opgeslokt. „Je hoort bij de gelukkige 3 procent die aan het zwarte gat ontsnapt, anders kon je dit nooit meer navertellen”, zegt Falcke met een glimlach.

„Jammer genoeg kunnen we je de beweging rond het zwarte gat niet lijfelijk laten voelen”, vindt Davelaar. „Dat zou het allemaal nog net wat levensechter maken.”

Toevalligheden

Falcke is voorzitter van de wetenschappelijke raad van het internationale Event Horizon Telescopeteam (EHT), dat het echte werk uitvoert. Het EHT-team –dertien onderzoeksinstituten van over de hele wereld– koppelt data van participerende radiotelescopen over de hele wereld. Deze fungeren daardoor als één enorme radiotelescoop ter grootte van de aarde (Zie ”Het Event Horizon Telescopeteam”).

„Grote toevalligheden maken het ons precies mogelijk een glimp op te vangen van het enorme zwarte gat Sagittarius A* in het centrum van de Melkweg. Zo is de aarde net groot genoeg om het zwarte gat te kunnen zien; om de radiogolven van de juiste frequentie op te kunnen vangen. Bovendien staat de aarde precies op de goede plek ten opzichte van het centrum van de Melkweg. Persoonlijk zeg ik dan met een knipoog: Gelukkig heeft God de aarde op de juiste plek in de Melkweg geplaatst, zodat wij nu in staat zijn om een ‘foto’ te maken van het centrale zwarte gat.”

In april voerde het EHT-team de eerste waarneming uit met behulp van een netwerk van telescopen over de hele wereld. Deze week komen nieuwe data binnen, van de deelnemende telescoop op de Zuidpool (Zie ”Telescoop in Namibië”). Door de metingen van de verschillende radiotelescopen te combineren, hopen de astronomen de eerste foto samen te stellen van het zwarte gat.

Falcke: „Voorlopig is het puzzelen en analyseren. We moeten zeker weten dat onze methode klopt en dat we geen systematische fouten maken. Wat we uiteindelijk hopen te zien, is zoiets als bij een zonsverduistering: een vurige ring om een donker object in het midden.”

Het zwarte gat fascineert Falcke enorm. „Het is zoiets als een ultieme grens. Een rare grens. Het is net als met de dood: je kunt in een zwart gat verdwijnen, je kunt eruit naar buiten kijken, maar je kunt nooit vertellen wat je ziet. Hier raken Einsteins relativiteitstheorie en de kwantummechanica elkaar. Maar hoe? De waarneminghorizon is een fundamentele grens: ik kan de binnenkant van een zwart gat nooit bestuderen. Of we moeten een nieuwe soort natuurkunde ontdekken.”

Twee soorten zwarte gaten

Er zijn in het heelal twee soorten zwarte gaten bekend. De eerste soort ontstaat wanneer een zware ster –zeker vijf keer zo zwaar als de zon– explosief aan zijn einde komt. Tijdens zo’n zogeheten supernova blaast de ster zijn buitenste lagen het heelal in, terwijl de kern ineenstort tot een zwart gat. Op aarde is die gebeurtenis te zien als een lichtexplosie.

Een tweede soort zwart gat bevindt zich in het centrum van een melkweg, ook van de Melkweg waar het zonnestelsel deel van uitmaakt. „Het is voor astronomen onduidelijk waar deze zwarte gaten vandaan komen”, zegt Heino Falcke, hoogleraar astronomie van de Radboud Universiteit in Nijmegen. „Wel weten we hoe ze groeien: door heet gas van nabije sterren op te slurpen. Soms verdwijnt er zelfs een hele ster in. Als dat gebeurt, moeten we daarvan op aarde de zwaartekrachtgolven kunnen meten.”

Een zwart gat is een object dat blijft ineenstorten; materie bevindt zich er permanent in een toestand van vrije val. Deze eigenschap maakt een zwart gat heel lastig voorstelbaar als ruimtelijk object. Astronomen kunnen het fenomeen echter wel wiskundig beschrijven met behulp van Einsteins algemene relativiteitstheorie (1915).

Falcke: „Door de continue vrije val van materie wekt een zwart gat onvoorstelbaar veel energie op. Om je een indruk te geven: als je het zou gebruiken als energiecentrale, zijn tien emmers water genoeg om alle energie op te wekken die Nederland in een jaar gebruikt. Dat water verdampt niet, maar wordt een heet, geïoniseerd plasma –een vierde fase, naast vast, vloeibaar en gas– van miljarden graden.”

Het Event Horizon Telescoopteam

Het was een hele klus voor prof. Heino Falcke om het Event Horizon Telescopeteam van de grond te krijgen. Met name Amerikaanse onderzoeksinstituten wilden het onderzoek in eigen hand houden en de eer van het eventuele succes opstrijken. „Dat waren stevige onderhandelingen. De discussie was ontzettend gepolitiseerd.”

De Amerikanen hadden zelfs de naam Event Horizon Telescopeproject, die in een gezamenlijk overleg werd geopperd, aangewend voor hun eigen onderzoek, zonder Falcke erbij te betrekken. De Nijmeegse hoogleraar heeft toen van de European Research Council ondersteuning gekregen, om zijn eigen Black Hole Camproject op te zetten.

Uiteindelijk had de Nijmeegse hoogleraar astronomie succes en zijn beide projecten gefuseerd. „Ik huldig het standpunt dat er maar één wereld is; de hulpbronnen kunnen we het beste samen gebruiken. En dat doen we nu.”

Inmiddels participeren dertien gerenommeerde instituten van over de hele wereld in het Event Horizon Telescopeteam (EHT), waaronder klinkende namen als het Duitse Max Planck Instituut; het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Harvard University.

Het Event Horizon Telescopeteam, waarin meer dan 150 mensen samenwerken, maakt gebruik van telescopen over de hele wereld. De astronomen voeren metingen uit met onder meer de ALMA-telescoop in Chili, de IRAM 30m-telescoop in Spanje, de Large Millimeter Telescope (LMT) in Mexico en de South Pole Telescope (SPT) op de Zuidpool.

Astronomen van het EHT koppelen data van de participerende radiotelescopen over de hele wereld aan elkaar. De apparaten fungeren daardoor samen als één enorme radiotelescoop ter grootte van de aarde. Deze techniek heet Very Long Baseline Interferometry (VLBI).

Telescoop in Namibië

Opvallend is dat Afrika in het rijtje van participerende instituten en van deelnemende telescopen ontbreekt. Daar wil Falcke graag verandering in aanbrengen. „Daar hebben we momenteel een blinde vlek.”

De hoogleraar is om die reden eerder deze maand in Namibië geweest. Dat bezoek pakte positief uit. „Daar bevindt zich de Gamsberg, een platte tafelberg. Deze zou heel geschikt zijn om een radiotelescoop op te plaatsen. De Melkweg zit daar bijna pal boven je hoofd. Het is er ’s nachts ontzettend donker en de luchtkwaliteit kan niet beter. Bovendien is Namibië een stabiel land in die regio.”

Falcke heeft inmiddels goede gesprekken achter de rug met de universiteit van Namibië in Windhoek. De komst van de radiotelescoop zou positief kunnen uitpakken voor de kwaliteit van het onderwijs en de wetenschap in het land. „We hebben al gesproken over een uitwisselingsprogramma; het is een spannend wetenschappelijk avontuur.”

Goede contacten had de hoogleraar ook met predikanten van de Lutherse Kerk in Namibië. „Je moet weten dat Namibië een heel christelijk land is. Ik wil absoluut niet dat ik er iets doe waardoor onze wetenschap zou botsen met hun geloof. Maar ze pakten het heel positief op.”

Ook heeft de hoogleraar contact gehad met natuurbeschermers en de toerismebranche. „Het is een prachtig vakantieland. Ik kan iedereen aanraden: ga naar Namibië. De natuur is er overweldigend. De komst van een telescoop zou de Gamsberg toegankelijk kunnen maken voor toerisme.” Met een zucht: „Investeerders en sponsoren zouden het land eens moeten ontdekken.”

Prof. Falcke leidt jacht op het zwarte gat

Wetenschap & techniek

RD.nl in uw mailbox?