Zwarte kern

Woensdag presenteerde Andrea Ghez op het Oort-symposium in Leiden de resultaten van de eerste metingen van individuele sterren in de kern van onze melkweg. Ze beloven de mysteries rond het superzware zwart gat aldaar verder op te helderen.

RAZEND KNAPPE metingen, luidde de reactie na afloop van de lezing die Andrea Ghez afgelopen woensdag op het J.H. Oort Centenary Symposium in Leiden hield. Op de plek waarnaar in vroeger tijden pestlijders werden verbannen, nu deel uitmakend van het museum voor natuurlijke historie Naturalis, deed de Amerikaanse astronome verslag van haar recente metingen met de Keck-telescoop op Hawaï aan enkele individuele sterren in de kern van het melkwegstelsel. Ze beloven het superzware zwarte gat dat zich daar ophoudt van een aantal mysteries te ontdoen.

De melkweg, die zijn naam dankt aan de band van sterren en gaswolken die zich aan de nachtelijke hemel uitstrekt en waartoe ook aarde en zon behoren, is een spiraalstelsel bestaande uit enkele miljarden sterren. Omdat wij ons in het centrale vlak bevinden, in een spiraalarm op 24.000 lichtjaar van het centrum, is dat centrum moeilijk zichtbaar. Het aanwezige stof en gas absorbeert het zichtbare en ultraviolette licht zodat astronomen die de kern van de melkweg willen onderzoeken zijn aangewezen op infrarood licht, op röntgenstraling en op radiogolven. De kern, zo is gebleken, bestaat uit een dichte sterrenhoop ingebed in complexe structuren. Het middelpunt van het geheel wordt gevormd door een zeer compacte en praktisch stilstaande radiobron, Sagittarius A* geheten. Waarschijnlijk is dit een superzwaar zwart gat met een massa enkele miljoenen malen zo groot als de zon. In een zwart gat is de materie zo sterk geconcentreerd, dat de enorme zwaartekracht ter plaatse belet dat zelfs licht er nog uit kan ontsnappen.

``Bewijzen dat zich in de kern van de melkweg een superzwaar zwart gat bevindt kan je alleen door naar sterren daar vlak in de buurt te kijken'', zegt Andrea Ghez een dag na haar lezing, in de pauze van de sessie over High-Velocity Clouds. ``Feit is dat zich in het centrum een grote concentratie van donkere materie ophoudt. Alleen door uit te gaan van een superzwaar zwart gat kunnen we die hoge dichtheid verklaren. We denken dat de krachtige radiostraling die Sagittarius A* uitzendt komt door het naar binnen spiraliseren van materie die zich vlak buiten het zwarte gat bevindt. Tijdens dat invangen raakt die zo sterk verhit dat er straling vrijkomt. Maar om zekerheid te krijgen moeten we het volume waarin we het zwarte gat nu hebben weten op te sluiten met betere waarnemingen fors zien in te perken.''

IDENTIEKE SPIEGELS

Sinds 1995 kijkt Ghez, hoogleraar astronomie aan de University of California in Los Angeles, met de Keck-telescoop naar sterren in de kern van de melkweg. Keck bezit twee identieke spiegels met een diameter van 10 meter, gehuisvest in aangrenzende koepels op de top van Mauna Kea, een slapende vulkaan op Hawaï. Het is op dit moment de grootste optische telescoop ter wereld. Om de kern van de melkweg door alle stof en gas heen te kunnen zien, worden de waarnemingen gedaan in het infrarode deel van het spectrum, bij een golflengte van 2,2 micrometer.

De resolutie van Keck, de hoek waaronder details aan de hemel nog juist van elkaar zijn te onderscheiden, is met 0,05 boogseconden onovertroffen. Op 24.000 lichtjaar, de afstand tot het centrum van de melkweg, komt dit erop neer dat details 400 keer zo groot als de afstand aarde-zon apart van elkaar te volgen zijn. Om zo'n hoge resolutie te bereiken zijn maatregelen nodig om de `uitsmerende' werking van de aardse atmosfeer op de beelden tegen te gaan. Ghez: ``Het is alsof je de telescoop een bril opzet, hij ziet scherper. De gebruikte techniek heet adaptive optics. Daarbij werk je met twee camera's: de eerste analyseert razendsnel het beeld en geeft informatie door aan de tweede, die daarmee de verstoringen van de atmosfeer in real time compenseert. Zo kun je langer naar een object kijken en dring je dieper in de melkweg door.''

Om de massa van het superzware zwarte gat in de kern van de melkweg te bepalen kijk je naar de beweging van de sterren in de buurt – op dezelfde wijze volgt de massa van de zon (via de wetten van Kepler) uit de banen van zijn planeten. In eerste instantie heeft Ghez er zo'n honderd gevolgd. Sommige bewogen in het vlak van de hemel met snelheden tot 1400 km/sec. Statistische berekeningen aan deze groep sterren – onontkoombaar omdat per individuele ster de snelheid niet volledig bekend is: de component in onze richting ontbrak – brachten Ghez tot de conclusie dat in het centrum een superzwaar zwart gat zat met een massa van 2,6 miljoen zonnen. Verder viel de positie van dat zwarte gat, dat vooralsnog binnen een bol met een straal van 0,03 lichtjaar moet liggen, netjes samen met die van Sagittarius A*.

Het resultaat, in 1998 gepubliceerd in The Astronomical Journal, bevestigde de uitkomsten van soortgelijk onderzoek van Reinhard Genzel dat twee jaar eerder in Nature verscheen. Genzel, verbonden aan het Max-Planck Institut für Extraterrestrische Physik in Garching (afgelopen donderdag hield hij in Leiden de elfde Oort-lezing), gebruikte de 3,5 meter New Technology Telescope van de ESO (European Southern Observatory) op La Silla in Chili. Maar door de hogere resolutie van Keck kon Ghez nauwkeuriger kijken. Zo wist ze tweemaal zo veel sterren in de centrale 25 vierkante boogseconde van de melkweg te volgen, had ze er minder last van dat ze in alle drukte sterren uit het oog verloor en ook stelde Ghez de stersnelheden in de binnenste 1 vierkante boogseconde vier maal zo nauwkeurig vast.

KROMMING

Veel mooier dan gemiddeldes nemen van een groep sterren is het precies volgen van individuele sterren, die brengen je dichter bij het centrale zwarte gat. Ghez: ``Dat is ons nu voor drie sterren voor een deel gelukt, de SO-1, SO-2 en SO-4. We zijn erin geslaagd de kromming van hun baan te bepalen en zo versnellingen uit te rekenen. Sterren die tot nu toe gebonden leken, zijn ook werkelijk gebonden – die hypothese is nu experimenteel bevestigd. Versnellingen geven je per ster een minimale massa van het zwarte gat waar ze zich omheen bewegen. Ook wijzen ze je, ieder apart, waar het zwarte gat zit. De uitkomsten overlappen elkaar netjes en hebben de associatie met de positie van de radiobron Sagittarius A* met een factor tien versterkt. We hebben de individuele banen nog niet helemaal, maar met de eerste stap die nu is gezet hebben we aangetoond dat we er in zullen slagen.''

De volgende stap is het bepalen van de radiële snelheden, in de richting van de aarde. Daartoe zal achter de Keck-telescoop een spectrometer worden gezet die (net als een prisma) het licht van de sterren in zijn componenten uiteen trekt. Ghez: ``Tegelijk kom je zo te weten om wat voor soort sterren het gaat, hoe oud ze zijn, etcetera. Veel is nog onduidelijk. Graag zouden we aan de hand van onze metingen uitzoeken of een significant deel van de donkere massa zich wellicht niet in het zwarte gat bevindt, maar in een halo erom heen. Ook willen we de sterbanen goed in beeld krijgen, zien of ze soms sterk uitgerekt zijn. Zulke gegevens zeggen iets over hun oorsprong. Voorlopig ziet het ernaar uit dat de sterren in het binnenste van de melkweg jong zijn. Dat is vreemd want we weten niet hoe sterren zo dicht in de buurt van een zwart gat geboren kunnen worden. En zitten er twee zwarte gaten in plaats van één? De banen van de sterren zullen het uitwijzen.''