Zwarte gaten zijn objecten waarvan de massa zo sterk is samengedrukt dat door de hoge zwaartekracht binnen een bepaalde straal niets eraan kan ontsnappen, zelfs geen licht. Volgens de algemene relativiteitstheorie kunnen ze bestaan, maar tot de jaren zeventig waren ze nog nooit waargenomen. Intussen zijn er drie categorieën bekend. Clovis Hopman die eerder dit jaar, op 29 juni, promoveerde in Israël, gaat met een Veni-subsidie proberen meer te weten te komen over het ontstaan van zwarte gaten.

Supernova
Het bestaan van zwarte gaten van de eerste categorie werd theoretisch al voorspeld en deze zijn in de jaren zeventig ook ontdekt. Een zware ster wordt een supernova aan het einde van zijn leven, implodeert en vormt een zwart gat. 'Ontdekken is moeilijk in de sterrenkunde, want het is geen experimentele wetenschap', vertelt Hopman. 'Je neemt dingen waar, maar je kan ze nooit vasthouden of ermee spelen.' Deze zwarte gaten zijn zo'n tien keer zo zwaar als de zon en hebben een grootte van ongeveer dertig kilometer. Hopman: 'Als je de zon in elkaar zou persen zou je een zwart gat vormen met een straal van ongeveer drie kilometer.'

Drie miljoen zonnemassa's
De tweede categorie zwarte gaten zijn veel groter, van meer dan een miljoen tot wel een miljard zonnemassa's. Deze bevinden zich in de centra van melkwegstelsels. Sinds ongeveer tien jaar weet men dat ook onze eigen Melkweg zo'n groot zwart gat in het centrum heeft. Dit gat is ongeveer drie miljoen zonnemassa's en het staat op 25.000 lichtjaar van de aarde. 'Van deze zwarte gaten weten we relatief veel af', zegt Hopman, 'maar we weten niet hoe ze ontstaan.' De Melkweg heeft waarschijnlijk slechts één groot zwart gat, omdat een tweede gat van die omvang vanzelf naar het centrum van de Melkweg zou zinken en dan ook zichtbaar zou zijn.

Derde categorie
Van de kleintjes van zo'n tien zonnemassa's zijn er meerdere. Een aantal daarvan is waargenomen. Hopman: 'En daar bestaan er zonder twijfel talloze meer van. We weten hoeveel zware sterren er geboren worden, dus kunnen we hun aantal indirect schatten op vele honderdduizenden.
De derde categorie van zwarte gaten zit tussen de twee andere in. De grootte van deze objecten varieert tussen de vijfhonderd en duizend zonnemassa's. Het bestaan van deze categorie wordt niet algemeen erkend, zoals de andere. 'Ze zijn moeilijk te zien', vertelt Hopman. 'Er is een aantal objecten waarvan men denkt dat het er een is, maar je kunt de dichtheid van die objecten niet berekenen. De aanwijzingen zijn veel indirecter.'

Wisselwerking
In zijn promotieonderzoek hield Hopman zich voornamelijk bezig met de zwaarste zwarte gaten en deels met de hypothetische middelzware. Hij onderzocht de wisselwerking tussen een zwart gat en de sterren in zijn omgeving. Hopman: 'In een straal van een paar lichtjaar om een groot zwart gat bevinden zich wel een miljoen sterren. In een gebied van gelijke grootte rond de zon bevindt zich geen enkele ster. De vraag is waarom een ster die om een zwart gat draait, niet gewoon eromheen blijft draaien, maar in het gat valt. De oorzaak daarvan is dat de grote hoeveelheid sterren elkaar beïnvloeden. De cirkelbaan van een ster om een zwart gat, wordt steeds elliptischer. Daardoor vliegt nu en dan een ster rechtstreeks het zwarte gat in.'

Waarnemingshorizon
Rond een zwart gat bevindt zich een gebied waar de zwaartekrachtwerking van het gat zo groot is, dat er niets aan kan ontsnappen, zelfs geen licht. Wat zich binnen dat gebied bevindt, kunnen we dus ook niet waarnemen. De grens tussen het waarneembare en het niet-waarneembare heet de waarnemingshorizon. Volgens de algemene relativiteitstheorie straalt een ster die in de buurt van de waarnemingshorizon komt zwaartekrachtgolven uit. Hopman: 'Dat heeft tot gevolg dat de ster energie verliest en de baan dichter bij het zwarte gat komt. De zwaartekrachtgolven gaan het hele heelal door en zijn in principe waar te nemen. Men zoekt al heel lang naar die golven, maar ze zijn nog nooit waargenomen. Ze zijn ook heel zwak.'

LISA
In 2015 is een experiment in samenwerking van ESA en NASA gepland, waarbij drie satellieten rond de zon worden gebracht. Deze satellieten moeten zwaartekrachtgolven kunnen waarnemen, die worden uitgezonden door compacte sterren, zoals witte dwergen, neutronensterren en kleine zwarte gaten. 'We verwachten dat deze detector LISA (Laser Interferometer Space Antenna) een stuk of honderd bronnen per jaar zal waarnemen', zegt Hopman.

Getijdenkrachten
Als een ster als de zon in de buurt van een zwart gat komt, trekken heel sterke getijdenkrachten zo'n ster aan stukken als hij te dichtbij komt. Iets verder weg van de waarnemingshorizon wordt de ster opgerekt. Hopman: 'Vooral bij middelgrote zwarte gaten kan de ster zo dichtbij komen en in een zo nauwe baan komen, dat er voortdurend gas uit de ster in het zwarte gat gezogen wordt. Het gevolg is een heel heldere bron van röntgenstraling. Het gas wordt namelijk heel heet voor het naar binnen valt. Dit scenario kan de oplossing bieden voor een van de raadsels in de astronomie, dat van de extreem heldere röntgenbronnen. Bij kleine zwarte gaten is het moeilijk te verklaren, waarom die zo helder zijn.'

Dubbelsterren
Hopman gaat nu kijken naar de omgeving van dit soort zwarte gaten. 'Scattering (verstrooiing door wisselwerking tussen sterren) is de enige manier waarop de baan van sterren kunnen wijzigen. Dat is veel sterker in de buurt van een zwart gat. Er kunnen zich ook heel grote gaswolken om een zwart gat bevinden. De interacties van sterren met die gaswolken kunnen ook belangrijk zijn.' Ongeveer 60% van de sterren zijn eigenlijk dubbelsterren. Als een dubbelster in de buurt van een zwart gat komt, kan dat een van de sterren invangen en de andere met heel hoge snelheid wegschieten. Hopman: 'De sterren vlak bij een zwart gat zijn erg helder, een kenmerk van jonge, kortlevende sterren, maar theoretisch is het moeilijk een scenario te bedenken voor de geboorte van sterren in dat gebied. Het is mogelijk dat die heldere sterren de ingevangen exemplaren van een dubbelster zijn en dat de oorspronkelijk partners met een snelheid van 10.000 km per seconde de Melkweg uit worden geschoten. Dat soort snelle vluchters wordt namelijk ook waargenomen.'

(21 november 2006/SH)