Zwarte gaten behoren tot de meest mysterieuze objecten in het universum. Ze zijn onzichtbaar, laten geen licht ontsnappen en lijken zich aan directe observatie te onttrekken. Toch weten astronomen tegenwoordig dat zwarte gaten werkelijk bestaan en zelfs een centrale rol spelen in de evolutie van sterrenstelsels. Maar hoe ontdek je iets dat per definitie onzichtbaar is? En hoe kunnen we zwarte gaten bestuderen?
Indirecte aanwijzingen: zwaartekracht als vingerafdruk
Het bestaan van zwarte gaten werd aanvankelijk afgeleid uit hun zwaartekrachtseffecten. Wanneer een ster in een nauwe baan rond een onzichtbare metgezel draait, kan men uit de bewegingen de massa van dat verborgen object afleiden. Als die massa vele zonsmassa’s bedraagt en er geen lichtbron te zien is, wijst dat sterk op een zwart gat. Een beroemd voorbeeld is Cygnus X-1 in het sterrenbeeld Zwaan, ontdekt in de jaren ’70. Astronomen zagen dat een zichtbare ster om een onzichtbare partner draaide en dat er intense röntgenstraling vrijkwam uit het systeem. Het zwarte gat zuigt namelijk gas van de ster aan, dat in een zinderende accretieschijf rond de horizon wordt verhit en röntgenstraling uitzendt. Voor het eerst was er een concreet kandidaat-zwarte gat gevonden.
Röntgentelescopen en accretieschijven
Omdat materie die in een zwart gat valt extreem heet wordt, zijn röntgentelescopen onmisbaar in de zoektocht. Satellieten zoals Chandra en XMM-Newton hebben talloze röntgenbronnen in onze Melkweg bestudeerd, waarvan veel waarschijnlijk stellaire zwarte gaten zijn. Deze waarnemingen geven ook inzicht in de natuurkunde vlak bij de gebeurtenishorizon. De variaties in helderheid, de energie van de röntgenfotonen en de structuur van accretieschijven onthullen hoe materie zich gedraagt op de rand van de ultieme afgrond.
Superzware zwarte gaten in sterrenstelsels
Niet alleen kleine zwarte gaten zijn interessant: in de kernen van vrijwel alle sterrenstelsels huizen superzware zwarte gaten, met massa’s van miljoenen tot miljarden zonsmassa’s. Hoe weet men dat? Astronomen kijken naar de bewegingen van sterren en gaswolken rond het centrum van een sterrenstelsel. In ons eigen Melkwegstelsel zijn gedurende tientallen jaren de banen van sterren nabij het centrum gevolgd. Ze draaien met duizelingwekkende snelheden rond een punt waar geen lichtbron zichtbaar is. De enige verklaring: een zwart gat van ongeveer vier miljoen zonsmassa’s, bekend als Sagittarius A*.
Nieuwe vensters: zwaartekrachtsgolven
Een van de grootste doorbraken van de afgelopen decennia was de eerste detectie van zwaartekrachtsgolven in 2015. Detectoren zoals LIGO en Virgo pikten minuscule rimpelingen in de ruimtetijd op, veroorzaakt door de botsing van twee zwarte gaten. Sindsdien zijn tientallen van zulke fusies waargenomen. Dit betekent dat we zwarte gaten niet alleen meer zien via hun omgeving, maar ook direct voelen via hun zwaartekrachtsgolven. Het is alsof we een nieuwe zintuig hebben gekregen om het heelal te verkennen.
De eerste foto’s van een zwart gat
In 2019 presenteerde het Event Horizon Telescope-project een historische mijlpaal: de eerste “foto” van een zwart gat. Met een wereldwijd netwerk van radiotelescopen werd het superzware zwarte gat in het sterrenstelsel M87 vastgelegd. Te zien was een gloeiende ring van materie rond een donkere schaduw, de schaduw van de gebeurtenishorizon. In 2022 volgde de eerste afbeelding van ons eigen centrale zwarte gat, Sagittarius A*. Voor het eerst konden we letterlijk het silhouet van een zwart gat zien.
