Zwart gat kneedt nieuwe sterren

Leidse in elkaar gesoldeerde supercomputer verklaart hoe

Door Bart Braun

Het superzware zwarte gat in het midden van de Melkweg zou alles in zijn buurt aan stukken moeten scheuren. Toch vormen zich daar sterren. Leidse sterrenkundigen hielpen uitzoeken hoe dat kan.

De zon is, samen met zo’n honderd miljard andere sterren, onderdeel van een sterrenstelsel: de Melkweg. De Melkweg is een spiraalvormig stelsel, en zoals je zou verwachten van een spiraal draait ze ook rondjes. De zon staat ten opzichte van de aarde zo goed als stil, maar ten opzichte van het centrum van de Melkweg zoeft zij, met planeten en al, door de ruimte met een vaart van honderden kilometers per seconde.

Waar draait alles precies omheen? Hoe dichter je bij het midden van de Melkweg komt, hoe meer sterren en stofwolken er zijn, en daar kijk je moeilijk doorheen. Het heeft sterrenkundigen een tijdje gekost om daarachter te komen, maar sinds 2008 zijn ze zo goed als zeker dat er een superzwaar zwart gat moet zitten. De Duitser Reinhard Genzel en de Amerikaanse Andrea Ghez kwamen vrijwel tegelijk tot die conclusie. Genzel kreeg onder meer een eredoctoraat van de Universiteit Leiden voor zijn werk.

De term ‘superzwaar zwart gat’ is een beetje ongelukkig gekozen. Het is alsof je een paar soorten muizen hebt gezien. Vervolgens kom je een blauwe vinvis tegen, het grootste dier dat ooit heeft bestaan, en dat noem je een ‘superzware muis’. Het is niet onbegrijpelijk, maar gaat voorbij aan de toch behoorlijk in het oog springende verschillen.

Een typisch zwart gat dat ontstaat door een supernova (zie kader) is enkele tientallen kilometers in diameter, en weegt ongeveer tien keer zoveel als de zon. Het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg weegt vier miljoen keer zoveel als de zon.

‘Dat betekent overigens niet dat de hele Melkweg eromheen draait omdàt het zwaar is’, verduidelijkt prof. Simon Portegies Zwart. ‘Dat de aarde om de zon draait, heeft alles te maken met de massa van de zon, maar het gat heeft geen invloed op de beweging van de zon. Je kunt je zelfs afvragen waarom er nou net daar een reusachtig zwart gat zit. Er is vast een verband, een reden dat hij in het midden zit, maar we weten niet wat die reden is.’

Portegies Zwart en zijn postdoc Inti Pelupessy hebben de afgelopen drie jaar met een internationaal team van sterrenkundigen gerekend aan het reuzengat, dat kortweg Sgr A* (‘Sagittarius A ster’) heet. In de buurt van dat zwarte gat blijken zich namelijk sterren te vormen.

Dat is niet wat je zou verwachten. Sterren ontstaan doordat in grote ruimtewolken zich langzaam maar zeker klontjes vormen, die dan steeds groter worden. Met zo’n monstergat in de buurt is dat lastig voor te stellen, want zodra je een klontje hebt, heeft dat klontje een kant die dichter bij het gat zit dan zijn andere kant. Die kant wordt harder aangetrokken tot het gat, en zo zou Sgr A* alles dat maar in de buurt komt aan stukken moeten scheuren, zeker zoiets fragiels als dichter wordende gaswolken. Portegies Zwart: ‘Het werkt in wezen net zoals je op aarde eb en vloed hebt dankzij de zwaartekracht van zon en maan, maar dan veel krachtiger. Je kan met pen en papier uitrekenen dat je daar geen sterren kunt maken zoals dat in de buurt van de zon gebeurt. De vraag is nu: wat is er anders?’

Het team ging aan de slag met het mede door Portegies Zwart gebouwde softwarepakket AMUSE, dat in staat is om de verschillende natuurkundige aspecten van stervorming – zwaartekracht en de bewegingen van het gas – zowel apart als tezamen te simuleren. Deze software draaide op de Leidse supercomputer Little Green Machine, die de hoogleraar beschrijft als ‘een cluster van aan elkaar gesoldeerde personal computers met krachtige grafische kaarten’, maar die wel 20.000 keer zo snel rekent als een normale computer.

De eerste resultaten van hun simulaties zijn inmiddels op de bus gedaan naar de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Het model verklaart wat er gebeurt. Portegies Zwart: ‘Als een gaswolk in de richting van het gat reist, wordt de wolk juist samengedrukt door de getijdenwerking, en gaat hij sterren vormen.’
Hoe kan dezelfde kracht zowel stervorming blokkeren als forceren? De hoogleraar gebruikt als analogie een tafel die kan draaien, met twee knikkers erop. ‘Geef je een slinger aan de tafel, dan zullen die knikkers verder uit elkaar gaan. Maar als ik de tafel dusdanig vervorm dat hij op een trechter lijkt, dan kan die slinger er ook voor zorgen dat de knikkers dichter bij elkaar komen te liggen. Hetzelfde effect kan een heel verschillend resultaat hebben.’

Hij vervolgt: ‘Je hebt bepaalde condities nodig om stervoming te krijgen in een ruimtewolk, net zoals een waterdampwolk op aarde aan bepaalde voorwaarden moet voldoen voordat het regent. Een van de belangrijkste voorwaarden is dat de dichtheid van het gas goed moet zijn, en daar zorgt het zwarte gat voor.’
Tenminste, dat doet het zwarte gat volgens het model. Hoe kom je erachter of dat ook de werkelijkheid beschrijft? ‘Dat is sowieso een probleem in de computationele astrofysica’, aldus Portegies Zwart. ‘AMUSE is relatief flexibel, zodat je verschillende elementen van de software los van elkaar kunt controleren. Op bugs, maar bijvoorbeeld ook door het te laten rekenen aan problemen waarvan je de oplossing al kent. Op een gegeven moment moet je de resultaten geloven of niet geloven. Uiteindelijk wil je met behulp van je model een toetsbare voorspelling doen; dat is wel het doel.’

Gaan met een knal

‘Gewone’ zwarte gaten zijn ukkies vergeleken met het reusachtige gat in het midden van de Melkweg, maar toch al best indrukwekkend.

Er is bar weinig normaals aan een ‘normaal’ zwart gat, maar voor de uitleg van nu is dat wel de term die we gebruiken. Een normaal zwart gat ontstaat als een ster aan het eind van zijn Latijn is. Een ster is zo verschrikkelijk zwaar en heet dat de atomen waar de ster van gemaakt is samen worden geperst tot andere atomen: kernfusie. Dat is hetzelfde proces als bij een waterstofbom. En net zoals een bom druk naar buiten uitoefent, doet de fusie dat ook. Die druk naar buiten houdt de druk naar binnen door de zwaartekracht in balans, en zodoende blijft een ster grofweg even groot.

Tot de brandstof op is. Wat er vervolgens gebeurt, hangt af van de massa van de ster. Onze zon is niet bijster zwaar, en zal uitlubberen tot een zogeheten rode reus, die veel groter is maar weinig meer doet – de Elvis Presleys onder de sterren. Hij wordt wel zo groot dat hij de aarde opslokt, dus ergens tussen nu en acht miljard jaar moet de mensheid een ander heenkomen zien te vinden.

Andere sterren doen meer als de rockers die 27 worden, en gaan met een knal. Na het ophouden van de kernfusie storten ze met veel geweld in, om vervolgens uit elkaar te spatten in een supernova. Bij de allerzwaarsten – sterren die tientallen keren zwaarder waren dan de zon - is dat zo’n krachtig proces dat er vervolgens een zwart gat achterblijft als permanent litteken in de ruimte zelf. Het is geen ‘materie’ in de zin dat deze krant of de zon dat zijn, maar het heeft wel massa. Zoveel zelfs, dat zelfs licht – het snelste dat er maar kan zijn – niet snel genoeg gaat om eruit te kunnen ontsnappen. Dat zorgt ervoor dat een zwart gat een zogeheten gebeurtenissenhorizon heeft. Vanaf die rand kan alles alleen maar naar binnen, maar niet meer naar buiten. Wat er achter die horizon precies gebeurt, is met de huidige natuurkunde eigenlijk niet te beschrijven.

Deel dit bericht:

Voorpagina

Achtergrond

Wetenschap

English page