Superzoeklichten

Veel raadsels van de quasars, ultraheldere kernen van sterrenstelsels voorbij de Melkweg, zijn opgelost. Nu helpen quasars als een soort superfelle zoeklichten bij de verkenning van het verre heelal.

Foto NASA/ESA/ESO/W. Freudling

In het sterrenbeeld Maagd staat een onooglijk sterretje dat luistert naar de ‘naam’ 3C 273. Het is al met een bescheiden telescoop waarneembaar, maar veel bijzonders zie je er niet aan. Schijn bedriegt, want 3C 273 is geen ster, maar een ‘quasar’ (quasi stellar object) – de extreem heldere kern van een ver sterrenstelsel. De eerste die zich dat realiseerde was de Nederlandse astronoom Maarten Schmidt.

In 1963 deed Schmidt, die vier jaar daarvoor naar de Verenigde Staten was geëmigreerd, een merkwaardige ontdekking. Hij merkte op dat het spectrum van 3C 273 – de verdeling van zijn licht over de verschillende golflengten – een duidelijke ‘roodverschuiving’ vertoonde. Anders gezegd: alle lijnen in dat spectrum – de ‘streepjescode’ die informatie geeft over de chemische samenstelling – waren naar langere golflengten opgeschoven. Blijkbaar bewoog de ‘ster’, die bekendstond als een sterke bron van radiostraling, met hoge snelheid van ons vandaan.

De gemeten roodverschuiving kwam overeen met een snelheid van bijna 45.000 kilometer per seconde, oftewel bijna vijftien procent van de lichtsnelheid. Dat bewees dat 3C 273 niet tot onze Melkweg kon behoren. In ons sterrenstelsel geldt namelijk een ‘maximumsnelheid’ van ruwweg 500 kilometer per seconde. Alles wat sneller beweegt, ontsnapt onherroepelijk aan de zwaartekrachtsaantrekking van de Melkweg en verdwijnt de ruimte in.

Astronomen schrijven de enorme snelheden van objecten als 3C 273 toe aan de uitdijing van het heelal. Daarbij geldt dat zo’n object zich sneller verwijdert, en een grotere roodverschuiving vertoont, naarmate het verder van ons vandaan is..

De roodverschuiving van 3C 273 vertaalde zich naar een afstand van twee miljard lichtjaar. Dat de ‘radioster’ ondanks die enorme afstand al waarneembaar was met een huis-tuin-en-keuken-telescoop, betekende dat hij ongelooflijk helder moest zijn. Hij produceerde veertig keer zoveel licht als een compleet sterrenstelsel.

„Quasars waren een enorm exotisch fenomeen”, zegt de Groningse astronoom Peter Barthel, die zijn carrière begonnen is als quasaronderzoeker. „Men wist werkelijk niet wat het waren. Dat was voor mij in de jaren zeventig ook de reden om hier mijn studie van te maken. Inmiddels begrijpen we wel zo’n beetje wat er speelt.”

De sleutel tot de oplossing van het quasarvraagstuk ligt bij de zwarte gaten. „Alle sterrenstelsels hebben een zwart gat in hun centrum”, legt Barthel uit: „En die stelsels groeien: ze vangen gas uit hun omgeving op. Een deel van dat gas wordt gebruikt voor de vorming van nieuwe sterren, en een ander deel verdwijnt in het centrale zwarte gat, dat daardoor groter wordt en energie produceert.”

Kosmische file

Een zwart gat is, heel kort geformuleerd, een stukje ruimte waar zich enorm veel massa heeft verzameld. Dit resulteert in een aantrekkingskracht die zo sterk is, dat materie en licht er niet aan kunnen ontsnappen. Zwarte gaten zijn daardoor onzichtbaar, desondanks waarneembaar. Met hun grote zwaartekracht beïnvloeden ze de bewegingen van sterren in hun omgeving. En materie die te dicht in de buurt komt, spiraalt naar het zwarte gat toe.

Bij dat laatste proces – ‘accretie’ – wordt op heel efficiënte wijze massa omgezet in energie. „Een zwart gat is in staat om ongeveer tien procent van de massa van de materie om te zetten in energie. Dat is voldoende om de energieproductie van een quasar te verklaren”, aldus Barthel. Als de aanvoer van materie groot genoeg is, ontstaat er een soort kosmische file rond het zwarte gat: een schijf van hete materie. Die materie is de bron van het felle licht dat een quasar uitzendt.

Het idee dat de energieproductie van quasars voor rekening komt van zwarte gaten is overigens niet nieuw. Al in de jaren zestig bleek dat van sommige quasars de helderheid in slechts enkele dagen veranderde. Dat is een aanwijzing dat de ‘energieproducent’ niet erg groot kan zijn: niet veel groter dan ons zonnestelsel. Maar één object van deze omvang is in staat om zulke grote hoeveelheden energie op te wekken: een zwart gat dat miljoenen malen meer massa heeft dan de zon.

Hoewel alle sterrenstelsels een kolossaal zwart gat in hun centrum hebben, produceren die lang niet allemaal zoveel energie als een quasar. Volgens Barthel is ook dat goed verklaarbaar: „Die activiteit treedt bij vlagen op. Sterrenstelsels doorlopen tientallen of misschien wel honderden perioden van stervorming en kernactiviteit. Vandaar dat op elk moment maar zo’n klein percentage sterrenstelsels activiteit vertoont. Maar alle sterrenstelsels hebben hun actieve fasen.”

Waarom de ‘zwarte motor’ in de kern van een sterrenstelsel steeds weer hapert, is nog steeds onderwerp van discussie – zo goed begrijpen astronomen deze objecten nu ook weer niet. Er zijn twee denkrichtingen. Barthel: „Aan de ene kant heb je de ‘negatieve feedback ’. Als zo’n kern eenmaal begint te stralen, wordt het omringende gas geruimd. Zo snijdt het zwarte gat niet alleen zijn eigen ‘voedseltoevoer’ af, maar kan het ook beletten dat het gas sterren vormt. Dat is ook de manier waarop kosmologen proberen te verklaren waarom er geen ‘ultrazware’ sterrenstelsels bestaan. Theoretisch zou je die namelijk wel verwachten, maar zwaarder dan tien biljoen (1013) zonsmassa’s worden sterrenstelsels eigenlijk niet. De oorzaak daarvan wordt nu gezocht bij die quenching – de negatieve feedback – maar dat is heel speculatief.”

Barthel zoekt de oorzaak van de haperende motor juist bij een vorm van positieve feedback. Soms wordt een deel van de materie die naar een zwart gat toe stroomt namelijk niet opgeslokt, maar in de vorm van twee bundels – zogeheten ‘jets’ – terug de ruimte in geblazen. Ook 3C 273 vertoont zo’n jet, die een lengte van 160.000 lichtjaar heeft.

„Als de jet van zo’n zwart gat door het moederstelsel schiet, kan het daarin aanwezige gas worden aangezet tot stervorming’, legt Barthel uit. „Dan treedt er door de kernactiviteit extra veel stervorming op. Wij zien eigenlijk alleen maar tekenen van die positieve feedback. Wel is het mogelijk dat een quasar, opgeteld over een lange periode, voorkomt dat het moederstelsel maar door blijft groeien. We kunnen het bestaan van negatieve feedback dus niet uitsluiten. Bovendien is het ook heel goed denkbaar dat het juist de hevige stervorming zelf is die quenching veroorzaakt.’

Er is nog een aanwijzing dat er een verband bestaat tussen stervorming en kernactiviteit. De afgelopen tien à elf miljard jaar is de quasardichtheid in het heelal – het aantal quasars per triljard (1021) kubieke lichtjaar zeg maar – met ongeveer een factor veertig afgenomen. En iets vergelijkbaars geldt voor de stervorming. „Dat is simpelweg een gevolg van het feit dat het heelal steeds leger wordt”, zegt Barthel. „Dat komt doordat het heelal uitdijt, waardoor sterrenstelsels elkaar minder vaak tegenkomen, en doordat de hoeveelheid koud gas die gebruikt kan worden voor de vorming van nieuwe sterren afneemt.” Vandaar ook dat, zoals astronomen onlangs hebben laten zien, de energieproductie in het heelal afneemt.

Samengevat: quasars ontlenen hun energie aan een centraal zwart gat dat gas blijft opslokken totdat de aanvoer stilvalt. Maar dit scenario roept wel een cruciale vraag op. De verste quasars staan namelijk zó ver weg dat hun licht er bijna 13 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken. Dat betekent dat er al kolossale zwarte gaten moeten hebben bestaan toen het heelal pas 700 miljoen jaar oud was. Het is onduidelijk hoe die gaten zich zo snel konden vormen. „Een serieuze theoretische uitdaging” noemt Barthels collega Marco Spaans dit. „Het lijkt zelfs zo te zijn dat die verre kolossale zwarte gaten in verhouding tot hun sterrenstelsels nog meer massa hadden dan hun nabijere soortgenoten.”

Volgens Spaans moeten de kolossen klein zijn begonnen – als embryonale zwarte gaten die groeiden door gas uit hun omgeving aan te trekken. Dat kan op twee manieren zijn gebeurd: De eerste mogelijkheid is dat het gewoon restanten waren van de eerste sterren, die een paar honderd miljoen jaar na de oerknal ontstonden. Deze sterren hadden genoeg massa om, nadat zij als supernova’s waren geëxplodeerd, zwarte gaten van ongeveer honderd zonsmassa’s achter te laten. Het is echter een lastige opgave om te verklaren hoe die ‘kiemen’ binnen relatief korte tijd tien miljoen keer zo zwaar konden worden. De omgeving van een zwart gat dat in hoog tempo gas aantrekt, produceert namelijk zoveel straling dat de aanvoer wordt tegengewerkt.

Miljard zonmassa’s

Het alternatief is dat er onmiddellijk na de oerknal al forse zwarte gaten ontstonden, zonder dat er sterren aan te pas kwamen. Simpel gezegd zouden grote gaswolken rechtstreeks zijn samengetrokken tot zwarte gaten van tienduizend tot een miljoen zonsmassa’s. Dat maakt de stap naar een miljard zonsmassa’s een stuk kleiner.

„Die tweede route lijkt op dit moment de meest waarschijnlijke”, zegt Spaans. „Zeker wanneer we kijken naar de resultaten van computersimulaties. Die laten namelijk zien dat dit scenario vaak genoeg kan zijn opgetreden om elk sterrenstelsel in het huidige heelal van een centraal superzwaar zwart gat te voorzien.”

Zolang een belangrijke vraag als die van het ontstaan van de kolossale zwarte gaten niet is beantwoord, kun je niet echt zeggen dat het quasarvraagstuk helemaal is opgelost. Toch is volgens Barthel het spannende er wel een beetje vanaf: „ Wel willen we natuurlijk nog graag weten hoe vaak quasars ‘aan’ en ‘uit’ gaan, en waarom sommige quasars een duidelijke jet hebben en andere niet. Maar eigenlijk is het heel simpel: quasars maken deel uit van sterrenstelsels die gewoon doen wat er van ze wordt verwacht: groeien door gas uit hun omgeving aan te trekken.”

Ook zonder dat we de werking van quasars precies begrijpen, bewijzen deze objecten hun nut. Doordat ze zo veel licht produceren, en over zulke grote afstanden waarneembaar zijn, fungeren quasars als een soort kosmische schijnwerpers waarmee dingen kunnen worden opgespoord die anders maar moeilijk waarneembaar zijn.

Quasarlicht dat door een wolk kosmisch gas heen gaat, wordt op bepaalde golflengten geabsorbeerd. De golflengten waarbij die absorptie optreedt verraden de samenstelling van dat gas, en de sterkte van de absorptie geeft aan hoeveel gas het quasarlicht onderweg naar de aarde is tegengekomen. Op die manier hebben astronomen bijvoorbeeld verre gaswolken ontdekt die door een nabijgelegen sterrenstelsel worden ‘opgezogen’.

Kosmisch web

Maar het meest intrigerende terrein waarop quasars hun nut kunnen gaan bewijzen, is dat van de grootschalige structuur van het heelal. De materie in ons heelal is verdeeld over een complex ruimtelijk patroon van (dichte) ‘filamenten’ en (minder dichte) ‘wanden’. Deze structuren strekken zich uit over honderden miljoenen lichtjaren en zijn omgeven door kolossale leegten, waar bijna geen materie te vinden is.

Het ‘geraamte’ van dat kosmische web bestaat uit donkere materie – materie die geen licht uitzendt. Daarnaast bevat het waterstofgas dat is overgebleven van de oerknal. En op plaatsen waar de materiedichtheid het grootst is – de knooppunten van twee of meer filamenten – zijn grote samenscholingen van sterrenstelsels te vinden.

De eerste aanwijzingen voor het bestaan van het kosmische web zijn al in de jaren tachtig van de vorige eeuw gevonden. De netwerkstructuur is terug te zien in de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels. En ook ‘voorspellen’ computersimulaties dat het gas dat na de oerknal is ontstaan onder invloed van de zwaartekracht draderige structuren heeft gevormd.

Volgens astronoom Rien van de Weijgaert, die net als Barthel en Spaans verbonden is aan het Kapteyn Instituut van de Rijksuniversiteit Groningen, zijn er aanwijzingen dat veel quasars zich in de knooppunten van het kosmische web bevinden. Ook heeft een team onder leiding van Damien Hutsemékers van de Universiteit van Luik recent ontdekt dat de rotatie-assen van quasars min of meer dezelfde kant op wijzen als het filament waar deze objecten deel van uitmaken – net zoals naaldmagneetjes zich richten naar het aardmagnetische veld (Astronomy & Astrophysics, 19 november 2014).

„Dat suggereert dat de rotatie-assen van kleine objecten – zoals sterrenstelsels en blijkbaar zelfs zwarte gaten – een door hun omgeving bepaalde richting hebben”, zegt Van de Weijgaert. „Maar theoretisch is dit verre van begrepen. Het intrigerende is dat dezelfde getijdekrachten die tot de vorming van het kosmische web hebben geleid, er ook voor kunnen zorgen dat de samentrekkende materie gaat roteren. Maar dat komt in simulaties gemakkelijker tot uiting dan in de werkelijkheid: er zijn simpelweg te veel andere effecten die het effect maskeren.”

Het is dus nog te vroeg om te zeggen dat quasars een belangrijke rol spelen bij het in kaart brengen van het kosmische web. „Maar gezien hun grote helderheid zouden ze wel eens uitermate belangrijke informatie kunnen verschaffen over het kosmische web op grote afstanden”, zegt Van de Weijgaert. Het quasaronderzoek van de komende vijftig jaar zou dus best eens net zo spannend kunnen worden als dat van de afgelopen vijftig jaar.