Astronomen hebben voor het eerst het gebied aan de rand van een zwart gat geobserveerd waar materie niet langer in een baan rond het gat draait, maar met bijna de lichtsnelheid naar binnen stort.
Astronomen hebben voor het eerst het ‘instortgebied’ van een zwart gat bekeken: de plek waar materie niet langer rond het zwart gat cirkelt, maar recht naar binnen valt. Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie heeft het bestaan van dit gebied voorspeld, maar het was nog nooit eerder waargenomen. Het bestuderen van instortingsgebieden kan ons meer leren over hoe zwarte gaten ontstaan en ontwikkelen. Ook kan het nieuwe informatie onthullen over de aard van de ruimtetijd.
Als materie te dicht bij een zwart gat komt, vormt het een ring om het zwarte gat, de zogeheten accretieschijf. De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat die een binnengrens heeft. Binnen die grens kan niets meer om het zwarte gat heen draaien. In plaats daarvan duikt het linea recta naar binnen, met bijna de lichtsnelheid.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Waterval
‘Het is alsof een rivier in een waterval verandert. Tot nu toe hebben we alleen naar de rivier gekeken’, zegt natuurkundige Andrew Mummery van de Universiteit van Oxford. ‘Als Einstein het mis had, dan zouden de banen allemaal stabiel zijn – er zou dus alleen die rivier zijn.’ Maar nu hebben astronomen dus een eerste blik geworpen op de waterval.
Mummery en zijn collega’s keken naar een zwart gat waar een gewone ster omheen draait en waarvan het gat materie naar binnen slurpt. Dit systeem, MAXI J1820+070, bevindt zich op ongeveer 10.000 lichtjaar van de aarde. De astronomen bekeken het gebied met de Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR), een röntgentelescoop in de ruimte. Ze gebruikten hun observaties om modellen te bouwen van het licht van de accretieschijf van het zwarte gat.
Ze ontdekten dat de modellen alleen bij de waarnemingen pasten als ze naast het licht van de accretieschijf ook het licht meetelden dat werd uitgezonden door materie in het instortgebied. ‘Vroeger dachten we dat alles wat deze grens passeert geen tijd zou hebben om echt noemenswaardig te stralen voordat het in het zwarte gat zou storten’, zegt zwarte-gaten-deskundige Greg Salvesen van Los Alamos National Laboratory in New Mexico, die niet bij dit onderzoek betrokken was. Dan zou je het gebied dus niet kunnen zien. ‘Maar het blijkt dat dit instortgebied extra licht geeft, dat je niet had verwacht.’
Het extra licht kan een bestaand vraagstuk oplossen. Zwarte gaten lijken sneller te draaien dan de theorie voorspelt. De draaiing van een zwart gat en de helderheid van het gebied eromheen zijn aan elkaar gerelateerd. Het toevoegen van wat extra licht zou de draaiing dus weer in lijn kunnen brengen met de voorspellingen. ‘De draaiing van zwarte gaten vertelt ons van alles, dus als we die beter kunnen meten, kunnen we een heleboel vragen in de astrofysica beantwoorden,’ zegt Salvesen.
Geen ontsnapping mogelijk
Daaronder vallen ook vragen over de aard van de zwaartekracht en de ruimtetijd zelf, omdat de instortgebieden behoren tot de meest extreme gebieden die we kunnen waarnemen. Ze bevinden zich net buiten de waarnemingshorizon van het zwarte gat, waarachter de zwaartekracht zo sterk is dat geen materie of zelfs licht kan ontsnappen.
‘Technisch gezien zou de materie, als die een raket had, kunnen ontsnappen aan het instortgebied, maar het is gedoemd: de baan is onstabiel geworden en het versnelt naar de lichtsnelheid’, zegt Mummery. ‘De materie heeft ongeveer net zoveel kans om terug te komen als water van de rand van een waterval.’
De onderzoekers proberen nu meer waarnemingen te doen van deze vreemde kosmische watervallen om de omstandigheden in de instortgebieden uit te pluizen.
