Andrea Ghez: De jacht op een superzwaar zwart gat

Hoe observeer je iets wat je niet kunt zien? Dat is de basisvraag voor iemand die interesse heeft in het vinden en bestuderen van zwarte gaten. Want zwarte gaten zijn objecten waarvan de zwaartekracht zo groot is dat niets eruit kan ontsnappen, zelfs licht niet, en dus kun je het niet zomaar zien.

Dus mijn verhaal van vandaag over zwarte gaten gaat over één zwart gat in het bijzonder. Ik wil graag onderzoeken of er wel of niet een zeer zwaar, wat we ook wel noemen een 'superzwaar' zwart gat in het centrum van ons sterrenstelsel zit. En waarom dat interessant is, is omdat het ons een mogelijkheid geeft om te bewijzen of deze exotische objecten echt bestaan, of niet. Ten tweede geeft het ons de gelegenheid om te begrijpen hoe deze superzware zwarte gaten in interactie met hun omgeving zijn, en om inzicht te krijgen in hoe ze het ontstaan en de ontwikkeling vormgeven van de sterrenstelsels waar ze zich in bevinden.

Dus, om te beginnen moeten we begrijpen wat een zwart gat is zodat we het bewijs voor een zwart gat kunnen begrijpen. Daarom: wat is een zwart gat? Vanuit diverse oogpunten bezien is een zwart gat een ongelooflijk simpel object, omdat er maar drie eigenschappen zijn die je kunt beschrijven: de massa, de draaiïng en de lading. Ik zal het alleen maar over de massa hebben. In die zin is het een heel eenvoudig object. Maar het is ook een ongelooflijk gecompliceerd object waarbij we nogal exotische fysica bij nodig hebben om te beschrijven die op een bepaalde manier de ineenstorting vertegenwoordigt van ons fysieke begrip van het universum.

Maar vandaag wil ik dat jullie een zwart gat op een manier begrijpen, want het bewijs van een zwart gat is door het je voor te stellen als een object waarvan de massa zit opgesloten in nul volume. Dus ondanks het feit dat ik jullie vertel over een object dat superzwaar is, en ik zal zo vertellen wat dat werkelijk betekent, het heeft geen bepaalde grootte. Dit is dus een beetje lastig.

Maar gelukkig is er een bepaalde grootte die je wel kunt zien, en die kennen we als de Schwarzschildradius. En die is vernoemd naar de man die inzag waarom dat zo'n belangrijke radius was. Het is een virtuele radius, geen echte; een zwart gat heeft geen afmeting. Waarom is het dan zo belangrijk? Het is belangrijk omdat het ons zegt dat elk object een zwart gat kan worden. Dus jij, je buurman, je mobieltje, de zaal kan een zwart gat worden als je uitzoekt hoe je het kunt samendrukken tot de grootte van zijn Schwarzschildradius.

Wat gebeurt er als dat punt is bereikt? Op dat moment wint de zwaartekracht. Zwaartekracht overwint alle andere bekende krachten. En het object wordt gedwongen verder ineen te storten tot een oneindig klein object. En dan is het een zwart gat. Als ik dus de aarde zou samendrukken tot de grootte van een suikerklontje, dan zou het een zwart gat worden, omdat de grootte van een suikerklontje zijn Schwarzschildradius is.

Het is dus de kunst om uit te vinden wat de Schwarzschildradius is. En het blijkt dat dat vrij simpel uit te vinden is. Het hangt alleen maar af van de massa van het object. Grotere objecten hebben een grotere Schwarzschildradius. Kleinere objecten hebben een kleinere Schwarzschildradius. Als ik de zon zou nemen en die zou samendrukken tot de grootte van de universiteit van Oxford, dan zou het een zwart gat worden.

We weten dus nu wat een Schwarzschildradius is. Het is eigenlijk een erg nuttig concept, want het vertelt ons niet alleen wanneer zich een zwart gat zal vormen, maar het levert ook de sleutel tot het bewijs van een zwart gat. Ik heb maar twee dingen nodig. Ik moet de massa van het object weten waarvan ik stel dat het een zwart gat is, en wat zijn Schwarzschildradius is. En omdat de massa bepaalt wat de Schwarzschildradius is, is er maar één ding wat ik echt hoef te weten.

De manier om jullie dus te overtuigen dat er een zwart is, is door te laten zien dat er een object is dat zit opgesloten binnen zijn Schwarzschildradius. En het is vandaag jullie taak om sceptisch te zijn. Goed, ik ga het niet hebben over een gewoon zwart gat; ik ga het hebben over superzware zwarte gaten.

Ik wilde dus kort ingaan op wat een gewoon zwart gat is, alsof er zoiets bestaat als een gewoon zwart gat. Een gewoon zwart gat wordt gezien als het eindstadium van het leven van een enorm zware ster. Als een ster zijn leven dus begint met veel meer massa dan de massa van de zon, dan beëindigt die zijn leven door te exploderen, en laat dan die prachtige supernova-resten achter zoals we die hier zien. En in die supernova-resten bevindt zich dan een klein zwart gat met een massa van ongeveer drie keer die van de zon. Op astronomische schaal is dat een heel klein zwart gat.

Waar ik het dus over wil hebben zijn de superzware zwarte gaten. De superzware zwarte gaten vermoedt men aanwezig in het centrum van sterrenstelsels. En deze prachtige foto die werd genomen door de Hubble ruimtetelescoop laat jullie zien dat sterrenstelsels in soorten en maten voorkomen. Er zijn grote. Er zijn kleine. Bijna elk object in deze foto is een sterrenstelsel. Er is een hele mooie spiraal in de linker bovenhoek. En er zijn honderd miljard sterren in dat stelsel, om het even in perspectief te plaatsen. En al het licht dat we zien van een doorsnee sterrenstelsel, zoals de sterrenstelsels die we hier zien, is afkomstig van het licht van de sterren. We zien sterrenstelsels dus vanwege het licht van de sterren.

Goed, er zijn een paar nogal exotische sterrenstelsels. Die noem ik de prima donna van de sterrenstelsels, omdat ze een beetje de blits maken. We noemen ze actieve sterrenstelsels. We noemen ze zo omdat hun centra zeer actief zijn. Hier uit het midden is de plek waar het meeste sterrenlicht vandaan komt. Maar wat we feitelijk zien is licht wat niet verklaard kan worden door sterrenlicht. Het is veel energetischer. Het is zelfs zoals de voorbeelden die we hier zien. Er zijn ook stralen die vanuit het centrum komen. Opnieuw een energiebron die zeer lastig te verklaren is als je je sterrenstelsels voorstelt alsof ze slechts uit sterren zijn samengesteld.

Wat mensen dus dachten, was dat er misschien superzware zwarte gaten zijn waar materie in valt. Je kunt het zwarte gat zelf niet zien, maar je kunt de zwaartekrachtenergie van het zwarte gat omzetten in het licht dat we zien. Er is dus de gedachte dat superzware zwarte gaten misschien bestaan in het centrum van sterrenstelsels. Maar dat is een wat indirecte redenering.

Desondanks gaf dat aanleiding tot het besef dat het misschien niet alleen deze prima donna's zijn die superzware zwarte gaten bezitten, maar veeleer dat alle sterrenstelsels dit soort superzware zwarte gaten in hun centrum hebben. En als dat zo is -- En dit is een voorbeeld van een normaal sterrenstelsel; wat we zien is het sterrenlicht. En als er een superzwaar zwart gat is, dan moeten we aannemen dat het een zwart gat op dieet is. Want op die manier onderdruk je de energetische fenomenen die we zien in actieve sterrenstelsels.

Als we op zoek gaan naar deze verholen zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels, dan is de beste plek om te zoeken onze eigen Melkweg. Dit is een groothoekopname, genomen van het centrum van de Melkweg. En wat we zien is een rij sterren. Dat komt omdat we in een sterrenstelsel leven dat een afgeplatte, schijfvormige structuur heeft. En we zitten er midden in, dus als we naar het centrum kijken dan zien we een plat vlak dat het vlak van het sterrenstelsel beschrijft, of een lijn die het platte vlak van de Melkweg beschrijft.

Het voordeel van het bestuderen van ons eigen sterrenstelsel is dat het gewoon het dichtstbijzijnde voorbeeld is van een centrum van een sterrenstelsel, want het daaropvolgende sterrenstelsel is 100 keer verder weg. We kunnen daarom veel meer details zien in onze eigen Melkweg dan waar dan ook. En zoals jullie zometeen zien, het vermogen om details waar te nemen staat centraal bij dit experiment.

Hoe bewijzen astronomen dan dat er veel massa is binnen in een klein volume? Ik heb de taak dat vandaag aan jullie te laten zien. Hoe we dat doen: we observeren de manier waarop sterren rondom het zwarte gat draaien. Sterren draaien om een zwart gat op dezelfde manier als planeten om de zon draaien. Het is de aantrekking van de zwaartekracht die deze dingen in een baan houden. Als er geen zware objecten waren dan zouden deze dingen wegvliegen, of tenminste veel langzamer bewegen want het enige wat bepaalt hoe ze rondjes draaien is hoeveel massa zich binnen in zijn baan bevindt.

Dat is dus mooi, want het was mijn taak te laten zien dat er veel massa in een klein volume huist. Als ik dus weet hoe snel hij omloopt, dan weet ik de massa. En als ik de afmeting van de baan weet, dan weet ik de straal. Ik wil daarom de sterren zien die zo dicht mogelijk tegen het centrum van het sterrenstelsel aan zitten. Want ik wil aantonen dat er zich massa in een zo klein mogelijk gebied bevindt. Dat betekent dus dat ik veel details wil zien. En dat is de reden dat we voor dit experiment 's werelds grootste telescoop hebben gebruikt.

Dit is het Keck observatorium. Er zijn twee telescopen met een spiegel van 10 meter, wat ongeveer de diameter van een tennisbaan is. Welnu, dat is geweldig want de verkiezingsbelofte van grote telescopen is: hoe groter de telescoop des te kleiner de details die we kunnen zien. Maar het blijkt dat deze telescopen, of welke andere telescoop op aarde dan ook, wat problemen had om zijn verkiezingsbelofte na te komen. En dat komt door de atmosfeer. Atmosfeer is prima voor ons; het zorgt ervoor dat we hier op aarde kunnen overleven. Maar het is nogal uitdagend voor astronomen die door de atmosfeer heen willen kijken naar astronomische bronnen.

Om je een beeld te geven van hoe het is, het is alsof je naar een steentje kijkt op de bodem van een beekje. Als je kijkt naar het steentje op de bodem van het beekje, het beekje is voortdurend in beweging en turbulent, en dat maakt het erg moeilijk het steentje op de bodem te zien. Het is net zo moeilijk, op precies dezelfde manier, om astronomische bronnen te zien, vanwege de atmosfeer die er voortdurend langs beweegt.

Ik heb daarom veel van mijn tijd gestoken in manieren om te corrigeren voor de atmosfeer, om ons een helderder beeld te geven. En dat geeft ons ongeveer een factor 20 extra. Ik denk dat jullie het ermee eens zijn dat als je uit kunt vinden hoe je je leven met een factor 20 kunt verbeteren, dan heb je je levensstijl waarschijnlijk een stuk verbeterd, bijvoorbeeld je salaris, dat zou je merken, of je kinderen, dat zou je merken.

Deze animatie hier laat een voorbeeld zien van de technieken die we gebruiken, genaamd 'adaptive optics'. Je ziet hier een animatie die beelden toont tussen een voorbeeld van wat je ziet als je deze techniek niet gebruikt, met andere woorden: gewoon een foto van de sterren. En het kader is gecentreerd op het centrum van de melkweg waar we denken dat het zwart gat is. Zonder deze techniek kun je dus geen sterren zien. Met deze techniek kun je het opeens zien. De technologie werkt door een spiegel in te brengen in het optisch systeem van de telescoop die continu verandert om de invloed van de atmosfeer tegen te gaan. Het lijkt dus op een hele modieuze bril voor je telescoop.

Goed, in de volgende dia's richt ik me alleen even op dat kleine vierkantje daar. We kijken dus alleen naar de sterren in dat vierkantje, ook al hebben we naar alle sterren gekeken. Ik wil dat jullie zien hoe deze zich hebben verplaatst. En gedurende het experiment hebben deze sterren zich over een enorme afstand verplaatst. We hebben dit experiment 15 jaar lang gedaan, en we zien de sterren helemaal rond gaan.

De meeste astronomen hebben een favoriete ster, en de mijne is vandaag die ster daar, SO-2. Zeer zeker mijn favoriete ster. Dat komt omdat 'ie rondgaat in slechts 15 jaar. En om je een indruk te geven van hoe kort dat is, de zon doet er 200 miljoen jaar over om rond het centrum van de Melkweg te draaien. Sterren die we al kenden, die het dichtst bij het centrum van de Melkweg lagen, doen er 500 jaar over. En deze, deze doet een mensenleven over een rondgang. Dat is ergens wel diepzinnig.

Maar het is de sleutel tot dit experiment. De baan vertelt me hoeveel massa er is binnen een zeer kleine straal. Goed, de volgende foto laat zien wat vóór dit experiment de grootte was waarbinnen we de massa van het centrum van de Melkweg konden beperken. Wat we eerst wisten was dat er vier miljoen keer de massa van de zon in die cirkel was. En zoals je ziet, er is veel ander spul binnen die cirkel. Je kunt veel sterren zien. Er waren dus een boel alternatieven voor het idee dat er een superzwaar zwart gat in het centrum van de Melkweg was, omdat je er een hoop spul in kon doen.

Maar met dit experiment hebben we dezelfde massa beperkt tot een veel kleiner volume dat tienduizend keer kleiner is. En daardoor konden we laten zien dat er een superzwaar zwart gat is. Om je een idee te geven over hoe klein dat is, dat is de grootte van ons zonnestelsel. We proppen dus vier miljoen keer de massa van de zon in dat kleine volume.

Goed, we moeten de waarheid spreken. Nietwaar? Ik zei dat het mijn taak was tot aan de Schwarzschildradius te komen. En de waarheid is, ik ben er nog niet. Maar eigenlijk hebben we nu geen alternatief om deze samenbundeling van massa te verklaren. En in feite is het het beste bewijs wat we tot nu toe hebben voor niet alleen het bestaan van een superzwaar zwart gat in het centrum van onze Melkweg, maar voor elke in het universum. Wat gaat er nu gebeuren? Ik denk eigenlijk dat het niet beter wordt dan dit met de huidige technologie, dus laten we opschieten met het probleem.

Dus wat ik jullie kort wil vertellen, zijn een paar voorbeelden van de opwinding over wat we nu kunnen doen in het centrum van de Melkweg, nu we weten dat daar, of althans het idee hebben, dat daar een superzwaar zwart gat is. En het leuke deel van dit experiment is, dat terwijl we onze ideeën hebben getest over de gevolgen van een superzwaar zwart gat in het centrum van onze Melkweg, dat ze stuk voor stuk niet consistent zijn met wat we feitelijk zien. En dat is het leuke.

Ik zal dan de twee voorbeelden laten zien. Je kunt je afvragen: "Wat verwacht je van de oude sterren, sterren die al een hele lange tijd bij het centrum van de Melkweg zijn, die hebben meer dan genoeg tijd gehad om te reageren op het zwarte gat." Wat je daar verwacht is dat oude sterren sterk in een kluitje rond het zwarte gat zitten. Je moet veel oude sterren naast dat zwarte gat kunnen zien.

Op dezelfde manier, of in tegenstelling daarmee zouden de jonge sterren die zouden daar niet moeten zijn. Een zwart gat is geen goede buurman van een moleculaire wolk. Om een ster te formeren heb je een grote bal gas en stof nodig die ineen stort. En het is een erg kwetsbare entiteit. En wat doet het grote zwarte gat? Hij rukt die gaswolk uit elkaar. Hij trekt aan een kant veel sterker dan aan de andere en de wolk scheurt uit elkaar. We verwachten zelfs dat ster-formatie niet plaatsvindt in die omgeving.

Je zult dus geen jonge sterren zien. Wat zien we dan wel? Met behulp van observaties die ik vandaag niet heb laten zien, kunnen we daadwerkelijk uitvogelen welke oud en welke jong zijn. De oude zijn rood. De jonge zijn blauw. En de gele, dat weten we nog niet. Je begrijpt de verbazing al. Er is een gebrek aan oude sterren. Er is een overvloed aan jonge sterren, dat is dus exact tegengesteld aan de voorspelling.

Dit is dus het leuke deel. En dit is feitelijk wat we tegenwoordig proberen uit te zoeken, dat mysterie van hoe je -- hoe los je die tegenstelling op. Mijn laatstejaars studenten zijn precies op dit moment vandaag bij de telescoop in Hawaii, ze doen observaties die ons hopelijk naar het volgende stadium voeren, waar we de vraag het hoofd kunnen bieden waarom er zoveel jonge sterren zijn, en zo weinig oude sterren. Om vooruitgang te boeken moeten we echt kijken naar de banen van sterren die veel verder weg liggen. Om dat te kunnen hebben we waarschijnlijk veel meer geavanceerde technologie nodig dan we nu hebben.

Omdat we in werkelijkheid, ook al zei ik dat we corrigeren voor de aardse atmosfeer, we corrigeren eigenlijk maar voor de helft van de fouten die er in zitten. Dit doen we door een laser omhoog de atmosfeer in te schieten, en wat we denken te kunnen doen als we een aantal meer schijnen, is dat we de rest kunnen corrigeren. Dat hopen we dus te doen in de komende paar jaar. En veel verder kijkend in de toekomst hopen we nog grotere telescopen te kunnen bouwen, want weet je nog? Groter is beter in de astronomie.

We willen dus een 30-meter telescoop bouwen. Met deze telescoop zouden we sterren moeten kunnen zien die nog veel dichter tegen het centrum van de Melkweg liggen. En hopelijk zijn we in staat een aantal van Einstein's theorieën over algemene relativiteit te testen, een aantal cosmologische ideeën over hoe sterrenstelsels ontstaan. Dus, wij geloven dat de toekomst van dit experiment erg spannend is.

Om af te ronden laat ik jullie een animatie zien dat in principe laat zien hoe banen zich verplaatsen, in drie dimensies. En ik hoop dat het in ieder geval is gelukt jullie te overtuigen dat we, in werkelijkheid, een superzwaar zwart gat hebben in het centrum van de Melkweg. En dat betekent dat deze dingen bestaan in ons universum, en we moeten het bewijzen, we moet uitleggen hoe deze objecten in onze fysieke wereld kunnen bestaan.

Ten tweede zijn we in staat geweest te kijken naar de interactie van de interactie van superzware zwarte gaten en misschien de rol te begrijpen die ze spelen in het vormgeven van wat sterrenstelsels zijn en hoe ze werken.

En 'last but not least', hier zou niets van terecht zijn gekomen zonder de komst van die enorme vooruitgang die is geboekt op het gebied van de technologie. We denken dat dat een gebied is dat zich ongelooflijk snel ontwikkelt, en veel in petto heeft voor de toekomst. Dank u wel. (Applaus)