Als kind was ik al gefascineerd door exotische werelden. Naast vreemde landschappen, dinosauriërs en het leven onder water, prikkelde vooral de sterrenhemel mijn fantasie. Nu bestudeer ik als sterrenkundige de grootste structuren in het heelal en de zwarte gaten die daarin bellen blazen. Ik gebruik daarvoor speciale ruimtetelescopen, maar begon ooit met het kijken naar sterren met een telescoop vanuit de achtertuin, blogt sterrenkundige Jelle de Plaa.
Ik verwonderde me als klein ventje over hoe de aarde en het leven erop ooit was ontstaan. Niet alleen de natuur van vandaag was interessant, maar ook hoe het allemaal zo gekomen was. Ik probeerde me voor te stellen hoe het miljoenen jaren geleden op aarde moet zijn geweest met gekke vissen in de zee en grote dinosauriërs op het land. In een oude atlas vond ik tekeningen van de aarde, de maan en het zonnestelsel. Op de pagina’s erna stonden sterren, melkwegstelsels en het heelal. Ik begreep toen nog niet goed hoe groot het allemaal was, maar het was spannend om te fantaseren over die buitenaardse werelden. Die verwondering over de natuur en sterrenkunde is niet meer over gegaan.
Zwarte gaten
Weinig dingen in de sterrenkunde spreken zo tot de verbeelding als zwarte gaten die alles in hun omgeving op lijken te slurpen. Een zwart gat is eigenlijk een ontzettend zwaar en klein ding tegelijk. Het ontstaat als het binnenste van een ster in elkaar gedrukt wordt tijdens een sterexplosie. Stel dat je van de aarde een zwart gat zou willen maken, dan moet je hem samenpersen tot de grootte van een knikker. De zwaartekracht van een zwart gat is zo groot dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen.
Sterrenkundigen weten inmiddels dat er in het centrum van melkwegstelsels hele zware zwarte gaten zitten. In ons eigen melkwegstelsel, een platte schijf met daarin honderden miljarden sterren zoals onze zon, is dat zwarte gat op dit moment niet actief. Er is niet genoeg materiaal in de buurt is om aan te trekken.
Platte draaikolk
In andere melkwegstelsels zijn ze soms wel actief. Als sterren of gaswolken te dicht in de buurt komen, gaat het gas waaruit ze bestaan in een platte draaikolk om het zwarte gat heen draaien. Een beetje zoals de draaikolk in het gootsteenputje, maar dan in de vorm van een platte schijf. Die zendt veel licht uit, omdat het gas extreem snel draait en door wrijving heet wordt. Met grote telescopen op aarde en in de ruimte zijn deze schijven zichtbaar als heldere verre sterren.
Een zwart gat met een schijf van heet gas eromheen (Illustratie: NASA)
Bellen blazen
Op een nog niet verklaarde manier gebeurt er ook boven en onder het zwarte gat, loodrecht op de schijf met gas, iets bijzonders. Een deel van het gas verdwijnt niet kolkend het zwarte gat in, maar wordt met bijna de lichtsnelheid in een bundel de ruimte in geslingerd. Die jets, zoals we die straalstromen ook wel noemen, zijn vaak op enorme afstanden te zien.
De jets komen niet ‘in het niets’ terecht, maar blazen bellen in een gigantische hete gaswolk die melkwegstelsels en clusters van melkwegstelsels om zich heen hebben verzameld. Zo’n gaswolk kan miljoenen lichtjaren groot zijn en heeft een temperatuur van miljoenen graden Celsius. De ruimte is daar geen vacuüm, maar bevat ongeveer één atoom per kubieke centimeter.
Ruimtetelescopen
De bellen in het hete gas zien we niet in zichtbaar licht, maar wel door naar röntgenstraling uit het heelal te kijken. Bij ruimteonderzoeksinstituut SRON, waar ik werk, gebruiken we daar bijvoorbeeld de ruimtetelescopen XMM-Newton (ESA) en Chandra (NASA) voor. Beide telescopen hebben instrumenten aan boord die door SRON zijn ontwikkeld. Omdat de röntgenstraling uit het heelal door de atmosfeer van de aarde wordt tegengehouden, moeten we satellieten de ruimte in lanceren om die straling te kunnen meten. XMM-Newton en Chandra zijn een soort röntgenverrekijkers in de ruimte die we richten op interessante plekken aan de sterrenhemel.
Chandra kan bijvoorbeeld ontzettend scherpe foto’s maken waarop de bellen in het gas in clusters van melkwegstelsels goed zijn te zien. Op deze foto van het Perseus cluster zien we dat heel goed. De heldere ‘ster’ in het midden is de kolkende materieschijf rond het zwarte gat. Het Röntgenlicht eromheen wordt uitgezonden door de hete gaswolk. Deze wolk is maar liefst 2 miljard lichtjaar in diameter en ons melkwegstelsel past meerdere keren in de bellen (de donkere gebieden op de foto).
Links een foto van het Perseus cluster met de Chandra Röntgentelescoop (Bron: NASA/CXC/SAO/E.Bulbul, et al.). Rechts een foto van luchtbellen in mijn aquarium (Bron: Jelle de Plaa)
Mijn aquarium
Het is fascinerend dat de enorme zwarte gaten-bellen (links op de foto) als twee druppels water lijken op luchtbellen in mijn aquarium (rechts). Hoewel het totaal andere omgevingen zijn, is de natuurkunde erachter hetzelfde: de wet van Archimedes. Het gas in de bellen heeft een lagere dichtheid dan de omgeving, waardoor het een kracht ondervindt tegen de richting van de zwaartekracht in. De bellen in het aquarium, zelfs de halve-maan vormige bel wat verder naar boven, lijken qua vorm sprekend op de bellen in het Perseus cluster.
Met dat bellen blazen hebben zwarte gaten op enorme afstanden invloed op hun omgeving. Ze bepalen bijvoorbeeld hoeveel sterren er in melkwegstelsels worden gevormd. De aanwezigheid van zware zwarte gaten in melkwegstelsels blijkt ook verbonden te zijn met de manier waarop melkwegstelsels ontstaan en zich ontwikkelen. Daardoor kunnen zwarte gaten ons helpen begrijpen hoe structuren in het heelal zijn gevormd.
Dat onderzoek gaat in kleine stapjes. We willen bijvoorbeeld weten hoe energie in de bellen wordt overgedragen op het hete clustergas, dat heter is dan verwacht. We denken dat de bellen het gas opwarmen, maar kunnen met de huidige telescopen nog niet goed zien hoe.
Het antwoord op die kleine vragen levert aanwijzingen op voor het beantwoorden van steeds grotere vragen. Uiteindelijk hopen we te begrijpen hoe het heelal in elkaar zit. Hoe zijn de melkwegstelsels, met al die miljarden sterren zoals onze zon, ooit ontstaan en waarom ziet het heelal er nu zo uit?
Jets in je achtertuin
Het verhaal van de bellenblazende zwarte gaten weten we dankzij waarnemingen van professionele (ruimte)telescopen. Maar je hoeft niet altijd enorm geavanceerde instrumenten te hebben om te kunnen genieten van de meest extreme omgevingen in het heelal. Zelf kun je ook met relatief eenvoudige middelen al prachtige dingen aan de sterrenhemel zien. Als je de maan door een gewone telescoop ziet, krijg je al het gevoel dat je boven een grijs kraterlandschap zweeft.
Links: Radio-opname van het melkwegstelsel M87 (Bron: NRAO/AUI and F.N. Owen, J.A. Eilek and N.E. Kassim) Rechts: Luchtbel in mijn aquarium (Foto: Jelle de Plaa)
Al in 1781 ontdekte de Fransman Charles Messier het melkwegstelsel Messier 87 (M87) ,in het sterrenbeeld Maagd, door met een simpele telescoop naar de sterrenhemel te turen. Veel later leerden we dat M87 ook een bel heeft in de vorm van een paddenstoelwolk. Die wolk is gevormd door een jet van een zwarte gat in het centrum van M87. Met radiotelescopen zijn de jet en de paddenstoelwolk het beste te zien. Het leuke is dat een deel van de jet in principe ook in zichtbaar licht is te zien.
In het observatorium van Volkssterrenwacht Philippus Lansbergen in Oostkapelle (Zeeland) heb ik als jonge student een keer geprobeerd de jet in M87 te zien. Je hebt daarvoor een redelijk grote telescoop nodig, een hele donkere omgeving en een kraakheldere nacht. Het observatorium staat in een achtertuin dichtbij een bosrand en de zee, en is één van de beste plekken in Nederland om sterren te kijken. Ik zag naast de kern van het melkwegstelsel een helder vlekje dat best weleens de jet kon zijn. Of het echt de jet was, weet ik niet. Wel maakte het een diepe indruk op me dat ik de straalstroom van een zwart gat misschien met mijn eigen ogen had gezien.
De jet in M87 in zichtbaar licht (Foto: NASA/ESA/Hubble Heritage team (STSci/AURA))
Sterrenkijkdagen
Niet iedereen heeft natuurlijk een telescoop thuis staan of een donkere achtertuin. Gelukkig is er waarschijnlijk wel eentje bij een sterrenwacht bij je in de buurt. Op 23, 24 en 25 februari 2018, tijdens de Landelijke Sterrenkijkdagen, zijn veel sterrenwachten open voor publiek. Als het helder weer is, staan de telescopen buiten. Het waarnemen van een jet is zelfs voor een ervaren amateursterrenkundige een uitdaging, zeker vanuit Nederland. Gelukkig zijn er meer exotische werelden aan de sterrenhemel om naar te turen met een telescoop. Het heeft bij mij een blijvende verwondering over het heelal teweeg gebracht. Veel kijkplezier!
