Heksenketel in het midden van de Melkweg nu scherp in beeld

Het centrum van het melkwegstelsel is vrijwel aan onze waarneming onttrokken: slechts een op de tien biljoen fotonen daarvandaan bereikt de aarde. Toch zijn er de laatste tijd steeds meer aanwijzingen wat er zich in het middelpunt afspeelt.

Wat gebeurt er in het centrum van ons melkwegstelsel? Wat voor soort sterren bevinden zich daar? Zit er precies in het centrum één object en zo ja, om wat voor object gaat dat dan? Dit soort vragen houdt astronomen al lange tijd bezig, maar de antwoorden lijken nu toch wel snel dichterbij te komen. Nieuwe waarnemingstechnieken leveren steeds scherpere beelden van het kerngebied: de heksenketel die in beroering wordt gebracht door wellicht één, nog steeds mysterieus object.

Het melkwegstelsel is het grote, roterende systeem van sterren waartoe ook de zon behoort. Het heeft de vorm van een discus of pannekoek en wordt door rotatie en zwaartekracht bijeengehouden. De meeste sterren, zo'n honderd miljard in getal, beschrijven min of meer cirkelvormige banen rond het centrum. De diameter van het stelsel wordt geschat op 80.000 lichtjaar; de zon (met de aarde) staat op ongeveer 28.000 lichtjaar van het centrum.

Het centrale deel van ons melkwegstelsel houdt astronomen al tientallen jaren in de ban. Eén van de oorzaken daarvan is het feit dat er in dit centrum een grote activiteit heerst. In de buurt van de zon is van die activiteit niets te merken. Sterren en gaswolken draaien rustig, in ruim 200 miljoen jaar, hun baantjes rond het verre centrum. Maar in het gebied binnen een paar honderd lichtjaar van het centrum is die regelmaat verstoord. In het centrum bevinden zich vreemde structuren en chaotisch bewegende gassen.

Hoe dichter men bij het centrum komt, des te groter wordt de chaos. Duidelijk is dat er grote hoeveelheden energie vrijkomen en die zijn niet te rijmen met het rustig rondcirkelen en evolueren van gewone sterren. Zulke tekenen van activiteit ziet men ook in de kernen van vele andere sterrenstelsels, zij het vaak in veel sterkere mate. Wellicht gaat het dus om een algemeen verschijnsel, dat in ons stelsel op bescheiden schaal plaatsvindt.

Aangezien onze melkwegkern relatief dicht bij staat, kan hij natuurlijk het beste worden bestudeerd. Maar er zit een addertje onder het gras. In de schijf van ons melkwegstelsel bevindt zich overal gas en stof en door dit stof kunnen we in dit vlak niet zo ver kijken. In feite wordt het melkwegcentrum in zichtbaar licht geheel aan het oog onttrokken. Slechts één op de tien biljoen fotonen (lichtdeeltjes) weet alle stofdeeltjes tussen het centrum en de aarde te ontwijken.

Radiobron

Veel informatie over het melkwegcentrum is afgeleid uit de radiostraling die er vandaan komt. Deze straling, afkomstig van hete gassen en snelle elektronen, wordt op zijn weg naar de aarde niet door stof gehinderd. In feite is het melkwegcentrum op radiogolflengten de sterkste bron aan de hemel. In 1974 werd in dit gebied een puntbron van radiostraling ontdekt: Sgr A* (spreek uit: A ster). Deze bron is heel klein en met geen andere in het melkwegstelsel te vergelijken. Daarentegen vertoont hij wèl overeenkomsten met de compacte radiobronnen in de kernen van andere sterrenstelsels.

In 1976 werd ontdekt dat er ook infrarode straling uit het melkwegcentrum komt. Van deze straling, afkomstig van zowel sterren als gas, weet een deel uit het melkwegcentrum te ontsnappen. Op een golflengte van 2 micron lukt dat met 10 procent van deze straling. Uit waarnemingen in het infrarood kon men afleiden dat de sterdichtheid naar het centrum zeer sterk moet toenemen. De sterren zitten daar vele malen dichter op elkaar dan in onze omgeving.

Uit waarnemingen op infrarood- en millimetergolflengten heeft men ook kunnen afleiden dat gaswolken en sterren vlak bij het centrum een grote snelheid hebben. Volgens de meest recente waarnemingen, begin dit jaar bekend gemaakt door astronomen van de universiteit van Arizona, nemen die snelheden veel sneller toe dan men op grond van het gravitatieveld van de waarneembare sterren zou afleiden. Precies in het centrum zit iets heel hard te trekken: iets dat een massa heeft van misschien wel een miljoen zonsmassa's.

Bij zulke massaconcentraties denkt men al gauw aan een zogeheten "zwart gat': een (onzichtbaar) gebied in de ruimte dat een zeer sterke aantrekkingskracht uitoefent. Zo'n zwart gat, ruwweg zo groot als de zon, slokt materie (waaronder misschien af en toe een ster) uit zijn omgeving op. Een deel van die materie wordt tijdens het naar binnen vallen zo sterk verhit, dat het in energie wordt omgezet. Deze energie zou dan de "motor' van de activiteit in het melkwegcentrum kunnen zijn.

Zo'n centraal zwart gat wordt ook gesuggereerd door de waarnemingen aan de radiobron Sgr A*. Door het combineren van de waarnemingen van radiotelescopen op vele kilometers afstand van elkaar, heeft men de maximale diameter van die bron steeds nauwkeuriger kunnen bepalen. Het blijkt nu dat hij in ieder geval kleiner is dan de baan van Jupiter.

Jarenlange waarnemingen aan Sgr A* hebben ook uitgewezen dat dit object zich al die tijd niet meetbaar heeft verplaatst. Tenzij het zich toevallig precies in onze richting beweegt, is zijn snelheid veel kleiner dan die van de meeste andere objecten in het melkwegcentrum. Dit zou betekenen dat Sgr A* zich precies in het gravitatiecentrum bevindt en dat kan alleen wanneer hij een zeer grote massa vertegenwoordigt.

Samen met de kleine diameter wijst dat ook op een "zwaar' zwart gat. Gezien zijn grote massa is het zwart gat als motor echter erg rustig. Er wordt momenteel blijktbaar weinig materie uit de omgeving opgeslokt. Men zegt daarom wel dat het zwarte gat momenteel "ondervoed' is. Maar er zijn sterke aanwijzingen dat het melkwegcentrum meer dan 50.000 jaar geleden veel actiever is geweest.

OH-sterren

Overigens weet men nu dat de structuur van de radiopuntbron Sgr A* op radiogolflengten niet steeds nauwkeuriger kan worden bepaald, ook al combineert men waarnemingen van telescopen op steeds grotere afstand van elkaar staan. Dit komt doordat er in de richting van het melkwegcentrum veel elektronen zitten, die de radiogolven ietwat verstoren. Dat werd al enige tijd vermoed, maar was tot voor kort moeilijk te bewijzen.

De Leidse astronoom Huib Jan van Langevelde heeft dit effect in het kader van zijn promotie-onderzoek bestudeerd met behulp van zogeheten OH-sterren. Dat zijn bepaalde sterren die ook op radiogolflengten zichtbaar zijn. "Bij deze sterren is precies bekend hoe ze er uit moeten zien en na het vaststellen van wat je werkelijk ziet is dit effect dan af te leiden', aldus Van Langevelde. Zo kon hij vorig jaar aantonen dat de scherpte op radiogolflengten inderdaad door het versmerende effect van elektronen wordt beperkt.

Volgens Van Langevelde zijn er in de afgelopen twee jaar in de vakliteratuur ongeveer 280 publicaties over alleen al het melkwegcentrum verschenen. Dit zegt wel iets over het belang dat aan dit onderzoek wordt gehecht. Het probleem van die vloed van publicaties is wel dat er eigenlijk nooit een moment is waarop men alles eens rustig op een rijtje kan zetten: er komt vanuit allerlei invalshoeken voortdurend van alles binnen.

Westerbork

Nederlandse astronomen dragen aan het onderzoek hun steentje bij, maar kunnen het melkwegcentrum hier helaas niet goed waarnemen. In Westerbork, waar een 3 km lange radio-interferometer staat, is veel onderzoek aan het melkwegstelsel verricht. Maar het centrum verrijst iedere dag slechts heel kort enkele graden boven de horizon. Daarom wijken Nederlandse astronomen uit naar zuidelijker sterrenwachten: naar de 27 km lange Very Large Array in New Mexico, of naar hooggelegen sterrenwachten met infraroodtelescopen.

Als er een zwart gat in het melkwegcentrum zit, zou dit ook infrarode straling moeten uitzenden. Zwarte gaten zijn waarschijnlijk omringd door een zogeheten accretieschijf; hierin zit de materie die het zwarte gat uit zijn omgeving heeft aangetrokken. Deze materie draait een tijdje rond, alvorens in het gat te verdwijnen. Zo'n schijf zou echter flink warm moeten zijn en dus infrarode straling uitzenden.

Ook met infraroodtelescopen is men dus naarstig gaan zoeken naar "iets' dat op het echte melkwegcentrum zou kunnen wijzen. Aanvankelijk zag men wel enkele infraroodbronnen, maar de infrarooddetectoren waren toen nog niet voldoende gevoelig om er scherp mee te kunnen waarnemen. Pas met de instrumenten die in de afgelopen paar jaar zijn ontwikkeld, is dat wel mogelijk geworden.

Met deze detectoren kan nu het meest centrale gebiedje van één lichtjaar in diameter onder de loep worden genomen. Begin vorig jaar maakten Andreas Eckart en zijn collega's, van het Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching, bekend hier meer dan 20 objecten te hebben ontdekt. En onlangs verrasten zij de astronomische wereld met een buit van maar liefst 340 objecten (Astroph. J. 407, L77).

De Duitse astronomen gebruikten een speciaal ontwikkelde infrarooddetector met hoog oplossend vermogen, SHARP geheten (System for High Angular Resolution Pictures). Deze bestaat uit 256 x 256 diepgekoelde kwik-cadmium-tellurium-elementen, die de infrarode straling omzetten in elektrische ladingen. De detector kan tienmaal per seconde worden uitgelezen, waarna via een computer uit de signalen beelden worden samengesteld. De detailscherpte bedraagt 0,15 boogseconde, wat op de afstand van het melkwegcentrum overeenkomt met 0,02 lichtjaar: dertig maal de afstand aarde-Pluto.

De astronomen deden hun waarnemingen met de 3,5 meter New Technology Telescope van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht op La Silli in Chili. Dit is een telescoop met een actief gecorrigeerde spiegel, die een ongekend hoge beeldkwaliteit geeft. Bovendien onderdrukten de astronomen de onrust van de atmosfeer door een enorm aantal (30.000!) zeer korte (0,3 tot 1 seconde) opnamen te maken en die vervolgens langs elektronische weg "op te tellen'. Echte details worden dan versterkt, terwijl willekeurige ruis wordt onderdrukt.

De 340 waargenomen sterren zijn de helderste van een dichte cluster van nog veel meer (onzichtbare) sterren in het kerngebied. Uit hun verdeling leiden de astronomen af dat de sterdichtheid hier moet oplopen tot meer dan een miljoen sterren per kubieke lichtjaar. Het is er dus wel tien miljoen maal zo druk als in de omgeving van de zon. In de buurt van de zon bevinden de sterren zich op gemiddeld 5 lichtjaar van elkaar, maar in het melkwegcentrum op slechts 0,01 lichtjaar.

De meeste van de 340 waargenomen sterren zijn reuzen en superreuzen: zware sterren die slechts een paar miljoen jaar leven, dus vrij recent moeten zijn ontstaan. Er zijn echter geen aanwijzingen dat zich in het kerngebied gaswolken bevinden die bezig zijn door samentrekking sterren te vormen. De onderzoekers denken dat de zware sterren zijn onstaan door onderlinge botsingen van kleinere, oudere sterren. Doordat de sterren hier zo dicht op elkaar zitten, kunnen zulke botsingen gemidddeld om de 100.000 jaar plaatsvinden.

Wolk van ijzerdamp

De astronomen ontdekten ook een wolk van hoog-geöniseerde ijzerdamp in het melkwegcentrum. De wolk heeft ruwweg een boogvorm, waarvan het ene uiteinde precies met de positie van Sgr A* samenvalt. Zo'n hoog-geöniseerd gas kan pas bij een temperatuur van minstens 50.000 graden ontstaan. Voor zulke extreem hoge temperaturen zou slechts één plausibele verklaring bestaan: uit het melkwegcentrum (wellicht Sgr A*) komt materie met snelheden rond de 1000 km per seconde, die tegen de omringende materie botst en deze verhit. Ook enkele andere structuren in dit centrum zouden met behulp van zo'n krachtige "wind' kunnen worden verklaard.

Bijzonder intrigerend is dat zich op de positie van Sgr A* ook een infraroodbron bevindt. Deze bron straalt ongeveer 100.000 maal zoveel licht uit als de zon, maar is zwak wanneer men hem met de omringende sterren vergelijkt. Is deze bron dezelfde als de radiobron Sgr A*? Dit kunnen de astronomen niet met zekerheid zeggen. De sterren staan hier zo dicht bij elkaar, dat het ook om een gewone ster zou kunnen gaan gaat die toevallig precies in dezelfde richting staat.

Volgens Van Langevelde zijn de Duitse astronomen echter nogal skeptisch over de vraag of deze infraroodbron een zwart gat zou kunnen zijn. "Weliswaar valt het zwaartepunt van de nu waargenomen sterrenconcentratie precies samen met de positie van Sgr A*, maar aan de andere is de daar gevonden infraroodbron zo zwak dat het moeilijk is om hem aan een zwart gat toe te schrijven. Alleen als de accretieschijf rond dat gat een heel koele buitenkant heeft, zou dat nog kunnen'.

Astronomen van de universiteit van Arizona lijken inmiddels dezelfde infraroodbron te hebben gevonden. Zij namen waar met de 2,3 meter telescoop van de Steward-sterrenwacht en gebruikten een andere techniek voor het onderdrukken van de onrust van de atmosfeer. De helderheid van de door hen waargenomen bron is gelijk aan die van de door Eckart en zijn collega's gemeten infraroodbron.

Twee andere Duitse astronomen, T.M. Herbst en S.V.W. Beckwith, hebben samen met de Amerikaan Mark Shure het melkwegcentrum waargenomen met de 3 meter infraroodtelescoop van de NASA op Mauna Kea (Hawaii). Ook zij vinden een infraroodbron op de positie van Sgr A*, maar een zwakkere. Als het om dezelfde bron gaat, zou dat kunnen betekenen dat hij veranderlijk is (Astroph. J. 411, L21).

Gerucht

In de wandelgangen van sterrenkundige instituten doet het gerucht van nòg een interessante ontdekking de ronde. Een internationale groep onder leiding van Thomas Krichbaum, van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, zou een straal geöniseerde materie hebben waargenomen die aan weerszijden van Sgr A* vandaan schiet. De astronomen ontdekten die door waarnemingen op een golflengte van enkele millimeters. Op die golflengte is het versmerende effect van interstellaire elektronen veel geringer dan op radiogolflengten, zodat men veel scherper kan waarnemen.

Zulke plasmastralen (jets) zijn al eerder waargenomen in de kernen van andere sterrenstelsels. Het zou hierbij gaan om materie die eerst uit de schijf rond een zwart gaat naar binnen toe valt en dan zo sterk wordt verhit dat ze ongeveer loodrecht op de schijf wegspuit. De ontdekking van zulke jets in het centrum van ons melkwegstelsel zou volgens de Duitse astronomen een der sterkste aanwijzingen zijn voor de aanwezigheid van een zwart gat. Hun onderzoek zal worden gepubliceerd in Astronomy and Astrophysics.

Terwijl de spanning rond het mysterie van het melkwegcentrum blijft stijgen, zijn er echter ook astronomen, zoals de Groninger astronoom Bob Sanders, die niet geloven dat zich daar een zwart gat bevindt. Zij denken dat de massa in het centrum ook geconcentreerd kan zijn in een zeer compacte cluster van sterren die zich tot nu toe verborgen heeft weten te houden. In dit geval zou er geen, of een veel minder zwaar zwart gat nodig zijn: van hooguit enkele honderden of duizenden zonsmassa's. De grote activiteit in het kerngebied zou dan misschien voortspruiten uit enorme stervormingsactiviteit.

Volgens Van Langevelde zal er pas dàn iets met zekerheid over een eventueel zwart gat zijn te zeggen, wanneer ook de snelheden van de sterren in het meest centrale punt van het melkwegcentrum zijn gemeten. "Pas dan kan worden uitgemaakt of er inderdaad zoveel materie in een zo kleine ruimte zit, dat je ook met vele sterren op een kluitje echt niet meer uit de voeten kunt'.

Zulke metingen worden nu mogelijk met de huidige telescopen en met de in aanbouw zijnde generatie van nog scherper waarnemende telescopen. De Leidse astronoom denkt dat het onderzoek aan het melkwegcentrum de komende jaren "heel spannend' gaat worden. Hij denkt dat er misschien al binnen zo'n vijf jaar een definitief antwoord kan worden gegeven op de vraag of er al dan niet een zwart gat in het melkwegcentrum zit.

Afbeeldingen:

De melkweg in de sterrenbeelden Schorpioen en Schutter. In deze richting bevindt zich vanaf de aarde gezien het centrum van ons melkwegstelsel. De afstand tot dit centrum bedraagt ongeveer 28.000 lichtjaar. Het centrum ligt echter verscholen achter enorme wolken gas en stof, die vrijwel al het zichtbare licht tegenhouden. Deze wolken vertonen zich als donkere lanen tegen de achtergrond van de ontelbare sterren.

Het centrum van ons melkwegstelsel, waargenomen op een golflengte van 20 cm met de Very Large Array in New Mexico. De radiostraling uit dit gebied is afkomstig van hete gassen en snelle elektronen en wijst op een roerig verleden. De centrale, spiraalachtige structuur heeft een diameter van ongeveer 13 lichtjaar. Precies in het midden er van bevindt zich de compacte radiobron Sgr A*.

Het allerbinnenste deel van ons melkwegstelsel, waargenomen op een golflengte van 2 micron met de 3,5 meter New Technology Telescope op La Silla in Chili. De infraroodopname bestrijkt een gebiedje van ruim één lichtjaar in het vierkant. De detailscherpte is zo groot, dat afzonderlijke sterren zichtbaar worden. Het kruisje markeert de positie van de radiobron Sgr A*. Deze bron lijkt samen te vallen met een zwakke infraroodbron.