‘Zwarte gaten zijn het omgekeerde van de oerknal’

Nobelprijs Natuurkunde Roger Penrose toonde aan dat zwarte gaten bestaan. Andrea Ghez en Reinhard Genzel ontdekten er een in het hart van de Melkweg.

Simulatie van de banen van sterren rond het zwarte gat in het hart van de Melkweg, dat Ghez en Genzel ontdekten.
Simulatie van de banen van sterren rond het zwarte gat in het hart van de Melkweg, dat Ghez en Genzel ontdekten. Beeld ESO/L. Calçada

Zwarte gaten zijn misschien wel de meest spectaculaire objecten in het heelal. Ze hebben een dusdanig hoge dichtheid dat alles wat te dichtbij komt, gedoemd is erin te verdwijnen. Ze zijn onzichtbaar en ‘zwart’ omdat zelfs licht niet kan ontsnappen. De Nobelprijs voor Natuurkunde ging dinsdag voor de helft naar theoretisch fysicus Roger Penrose, die begin jaren 60 aantoonde dat het bestaan van deze mysterieuze objecten volgt uit de algemene relativiteitstheorie. De andere helft wordt gedeeld door twee astronomen, de Duitse Reinhard Genzel en de Amerikaanse Andrea Ghez, die begin jaren 90 ontdekten dat in het centrum van de Melkweg een extreem zwaar, compact en onzichtbaar object huist. Zeer waarschijnlijk is dit een superzwaar zwart gat.

Zwarte gaten kunnen ontstaan als een ster die vele malen zwaarder is dan de zon ontploft, waarna de kern onder het eigen gewicht ineenstort. Wat overblijft heeft een dichtheid die zo hoog is dat zelfs licht niet snel genoeg gaat om aan de sterke zwaartekracht ervan te ontsnappen. De bolvormige grens vanaf waar zelfs licht niet meer kan ontsnappen heet de waarnemingshorizon. Hoe zwaarder een zwart gat, hoe groter de waarnemingshorizon.

„Dat de Nobelprijs naar zwarte-gaten-onderzoek gaat is terecht. Het zijn fascinerende objecten”, zegt Jan Pieter van der Schaar, hoogleraar theoretische fysica aan de Universiteit van Amsterdam. Hij heeft het nieuws net van zijn collega Jan de Boer gehoord. Beiden vinden het een leuke verrassing.

De algemene relativiteitstheorie, die Einstein in 1915 publiceerde, voorspelt het bestaan van zwarte gaten. Maar veel fysici, onder wie Einstein zelf, dachten dat dit slechts speculatieve oplossingen waren en dat de natuur een oplossing zou vinden waardoor dergelijke exotische objecten in werkelijkheid niet kunnen ontstaan.

Zwarte gaten zijn onvermijdelijk

Maar in de jaren 60, na de dood van Einstein, demonstreerde Roger Penrose met ingenieuze wiskunde dat het ontstaan van stabiele zwarte gaten wel degelijk volgt uit de algemene relativiteitstheorie. Sterker nog, het bestaan van zwarte gaten is onvermijdelijk onder alle redelijke omstandigheden zoals we die in ons universum kunnen verwachten.

Penrose veranderde zwarte gaten zo van een speculatief bijeffect tot objecten die in ons heelal te vinden moeten zijn. In zijn verdere theoretische werk aan zwarte gaten heeft hij intensief samengewerkt met de in 2018 overleden Britse natuurkundige Stephen Hawking. De Boer: „Het is verdrietig dat Hawking er niet meer is. Hij zou zeker ook aanspraak gemaakt hebben op deze Nobelprijs.”

„In mijn ogen is dit de eerste echte theoretische Nobelprijs voor de fantastische algemene relativiteitstheorie, waar Einstein zelf nooit een Nobelprijs voor heeft gekregen”, zegt hoogleraar theoretische fysica Robbert Dijkgraaf. „Het is mooi dat deze helft van de prijs geflankeerd wordt door spectaculaire observaties aan het zwarte gat in onze eigen Melkweg. Om de theorie en observatie zo hand in hand te zien maakt me gelukkig.”

Het grote gat in de Melkweg

Genzel en Ghez toonden voor het eerst overtuigend aan dat er superzware zwarte gaten in onze directe galactische omgeving te vinden zijn, in het centrum van de Melkweg. Ze leidden elk een onderzoeksgroep die de bewegingen van sterren in het Melkwegcentrum in kaart brachten. Dat is niet eenvoudig, omdat de aarde zich ook in de Melkwegschijf bevindt, waardoor je door interstellair stof en miljarden sterren moet turen. Genzel en Ghez zagen allebei hoe een aantal heldere sterren met een duizelingwekkende snelheid in banen om een extreem zwaar en onzichtbaar object draaien, zoals de planeten om de zon bewegen. Uit de manier waarop de sterren bewegen is af te leiden dat er een object zit dat 4 miljoen keer de massa van de zon heeft. Verreweg de meest waarschijnlijke verklaring is dat dit object, Sagittarius A*, een superzwaar zwart gat is.

„Deze Nobelprijs heeft mijn dag gemaakt”, zegt Sera Markoff, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Amsterdam. „Ik ken Andrea en Reinhard sinds mijn studie. Andrea was een geweldige mentor voor mij. Het is welverdiend en mooi dat ze beiden de prijs krijgen, want ze leidden concurrerende onderzoeksgroepen. Juist door die competitie en doordat ze elkaars resultaten bevestigden werd dit een succesvolle ontdekking die het vakgebied verder bracht. Hun resultaten zijn de ingrediënten geweest die bijvoorbeeld de eerste foto van een zwart gat in april vorig jaar mogelijk maakten.”

Luister ook naar deze aflevering van onze podcastserie NRC Onbehaarde Apen: Nobelprijs voor zwarte gaten

U kunt zich ook abonneren via Apple Podcasts, Stitcher, Spotify, Castbox of RSS.

Op die eerste foto staat het zwarte gat in sterrenstelsel M87. Astronomen hopen ook binnenkort Sagittarius A* te kieken en een filmpje te kunnen maken van een zwart gat. Ook op theoretisch gebied laten zwarte gaten natuurkundigen nog niet los. Ze dragen namelijk een groot geheim in hun hart: een singulariteit, een oneindig klein punt met een oneindig grote dichtheid. Daarin verdwijnt alles dat voorbij de waarnemingshorizon raakt. Daar, in het midden, stopt de ruimte en de tijd en de natuurkunde zoals wij die kennen. „In zekere zin zijn zwarte gaten het omgekeerde van de oerknal”, vertelt Dijkgraaf. „Bij de oerknal ontstaat de tijd en in een zwart gat stop het.” Hoe dat werkt en welke natuurkunde er nodig is om deze mysterieuze singulariteit te begrijpen is nog niet bekend. Dit zal daarom niet de laatste Nobelprijs voor zwarte gaten zijn.

Correctie (7 oktober 2020): in een eerdere versie van dit artikel werd Roger Penrose per abuis Robert Penrose genoemd. Dat is aangepast.