Netherlands

Quasars verraden zwarte gaten

Quasars zien er aan de nachtelijke hemel uit als gewone sterren. Maar dat zijn ze niet. Door een radiotelescoop bezien, blijken het complete sterrenstelsels te zijn met een zwart gat dat enorm veel energie uitstraalt. Dat blijkt uit onderzoek van Huub Röttgering, hoogleraar observationele kosmologie van Universiteit Leiden.

Röttgering bekijkt deze bijzondere lichtbronnen niet door een gewone telescoop, maar met de duizend antennes van radiotelescoop Lofar (Low- Frequency Array, oftewel lagefrequentietelescoop). Dat gebeurt omdat quasars sterke radiogolven produceren. „Door dergelijke antennes in Europa onderling te verbinden, zijn we in staat heel gedetailleerd onderzoek te doen naar quasars.”

Het centrum van de samengestelde Lofartelescoop bevindt zich in Drenthe. Daar staan 20.000 kleinere antennes die in 2010 in gebruik werden genomen. Dit antennestation staat in verbinding met stations in onder meer Frankrijk, Duitsland, Engeland, Ierland, Zweden, Polen en Letland.

„Door de verbinding met andere Europese antennes gaat de diameter van 100 naar 1500 kilometer. De scherpte gaat daardoor met een factor 15 omhoog, we hebben dus 100 keer meer pixels”, vertelt Röttgering enthousiast. Verdere internationale uitbreiding ligt in het verschiet. In Italië worden momenteel ook antennestations gebouwd.

Radiobron

Astronomen ontdekken de eerste radiobronnen in het heelal, quasars (quasi-stellar radio source), in de jaren 60 van de vorige eeuw. De 400 helderste radiobronnen corresponderen echter niet met de 400 helderste sterren. Hoe zit dat dan? Röttgering: „De radiohemel blijkt iets anders te zijn dan de optisch zichtbare hemel. Heel langzaam gaan we begrijpen hoe die in elkaar zit.”

Met behulp van speciale technieken, zoals interferometrie, slaagden sterrenkundigen erin de positie van de radiobronnen te bepalen. „Op een gegeven moment konden we zeggen dat die radiobron daarbij of daarbij hoorde”, aldus de hoogleraar. „Een radiobron die we grofweg lokaliseerden op een ster heet een quasar of quasi-ster. Maar we wisten nog niet wat het precies was.”

De eerste die het geheim van de quasisterren ontrafelde, was de Nederlandse astronoom Maarten Schmidt. Hij maakte in 1963 een spectrum van de 3C273-radiobron die precies op een bepaalde ‘ster’ paste. „Maar daarvan kon hij vervolgens geen chocola maken”, zegt Röttgering. „Schmidt zocht naar de specifieke frequenties, de spectraallijnen, die bij dat object hoorde, maar dat werd een rommeltje.”

Een spectraallijn is een radiofrequentie die wordt uitgezonden door elementen zoals koolstof en zuurstof. Zo zijn van alle bekende melkwegstelsels de spectraallijnen bekend.

„Edwin Hubble ontdekte in 1929 dat de spectraallijnen van sterrenstelsels nooit precies zitten waar ze horen. Het waargenomen licht van de sterren is eigenlijk altijd een beetje roder dan de sterren zelf uitzenden, door de zogeheten roodverschuiving. Hoe verder zo’n sterrenstelsel het rode spectrum in is verschoven, hoe verder het bij ons vandaan staat. Dat is de wet van Hubble”, legt Röttgering uit.

Van de meeste tot dan toe bekende stelsels waren de spectraallijnen maar een fractie verschoven. Maarten Schmidt kwam op het lumineuze idee om de frequenties van radiobron 3C273 niet met de gebruikelijke factor 0,5 naar het rode spectrum te verschuiven, maar met een factor 2. „En toen paste het ineens wel. Schmidt kwam tot de ontdekking dat deze radiobron een factor 10 verder van ons af staat dan alles wat we op dat moment kenden.”

Geen flauw benul

De waargenomen verre radiobronnen moesten honderd keer helderder zijn dan een normaal nabijgelegen melkwegstelsel. „We hadden er nog geen flauw benul van om wat voor objecten het ging. Maar dat veranderde snel.”

De hoogleraar legt uit dat de sterkte van de radiogolven uit zo’n bron nogal varieert. „We weten daardoor dat zo’n object kleiner moet zijn dan de afstand tussen aarde en zon. Dat is heel raar. Zo’n heel gebied kan niet variëren in lichtkracht als het zo gigantisch groot is.”

Een radiobron moet dus zo groot zijn als een klein zonnestelsel, maar is tegelijk honderd keer helderder dan onze eigen Melkweg. Dat stelt de wetenschappers opnieuw voor een raadsel: hoe kan er zo veel energie uit zo’n klein gebied komen?

De verklaring ligt in massieve zwarte gaten die zich in het centrum van melkwegstelsels bevinden. Die zijn tot 100 miljoen keer zwaarder dan de zon. Röttgering: „Wanneer je in zo’n zwart gat bijvoorbeeld een hele zon zou gooien, krijg je zo veel energie dat deze sterke radiogolven gaat uitzenden. Dat is te berekenen met de formule E=mc2 van Albert Einstein.”

Radiokaarten

De vraag is of deze theorie klopt, vervolgt Röttgering. „Daar konden we alleen achter komen door grotere radiotelescopen te bouwen. Die kunnen de hemel gedetailleerder en met meer precisie in kaart brengen. Vervolgens konden we de radiokaarten over de kaarten van de optische hemel leggen.”

De theorie bleek te kloppen met de feiten. De sterke straling komt uit gebieden vlak bij de massieve zwarte gaten. Deze bevinden zich in het midden van sterrenstelsels die miljarden lichtjaren van ons verwijderd zijn.

Deze zwarte gaten duwen via hun polen –die al zo groot zijn als een heel zonnestelsel– met een enorme snelheid radiogolven naar buiten. Zo’n bundel van elektromagnetische straling heet een jet. „Wanneer zo’n jet precies onze kant op staat, krijgen we de radiostraling als een vuurtorenbundel van honderd keer zo sterk als onze eigen melkwegstelsel op ons af. Dat nemen we dan waar als een quasar”, verklaart Röttgering. „Dan zijn we in feite verblind.”

Door de verblinding kan het desbetreffende melkwegstelsel zelf niet worden waargenomen. Quasars waarbij dat wel kan, worden radiomelkwegstelsels genoemd.

Niet alle stelsels zenden radiogolven uit. „Dat is onder andere het geval met onze eigen Melkweg”, aldus de hoogleraar. „Er is wel een beetje gepruttel, maar er zit heel weinig materie rondom ons zwarte gat waardoor er geen jets ontstaan.”

Met behulp van radiotelescoop Lofar zijn intussen al 3 miljoen nieuwe verre sterrenstelsels ontdekt. Röttgering: „Lofar stelt ons in staat om enorm veel sterrenstelsels tegelijk te bestuderen. We proberen nu de hele noordelijke hemel in kaart te brengen. Hierbij willen we niet alleen verder in het heelal kijken, we willen ook begrijpen hoe die zwarte gaten werken, hoe ze zijn ontstaan en hoe ze zijn gegroeid.”

...

Ontstaan van radiostraling

Hoe produceren massieve zwarte gaten zulke energierijke elektromagnetische straling? Dat gaat als volgt. De zwarte gaten van deze actieve sterrenstelsels trekken materie aan. Daardoor ontstaat er een afgeplatte, rondwervelende schijf van materie, een accretieschijf. Die verdwijnt uiteindelijk in het zwarte gat, verklaart de hoogleraar.

„We weten niet precies wat er gebeurt, maar we denken dat er zich in de accretieschijven magnetische velden bevinden. Je kunt ze vergelijken met springveren. Naar het centrum toe komen die veren steeds dichter bij elkaar te staan. Wanneer ze te dicht bij elkaar komen, duwen ze energierijke deeltjes met een enorme snelheid langs de polen naar buiten. Dat heet een jet of straalstroom.”

Wanneer elektronen samen met een deel van het magnetische veld van de accretieschijf met bijna de lichtsnelheid langs de polen van het zwarte gat naar buiten worden geslingerd, ontstaat er elektromagnetische straling, ook wel synchrotronstraling genoemd.

Door het sterke magnetische veld worden de elektronen in een soort spiraalvorm afgebogen. „Daar houden ze niet van”, zegt Röttgering. „Als de elektronen door het magnetische veld uit de accretieschijf zich in allerlei bochten moeten wringen, gaan ze straling uitzenden. Deze synchrotronstraling nemen wij waar als radiostraling.”