Nobelprijs voor Natuurkunde voor onderzoek naar zwarte gaten

De Brit Roger Penrose, de Duitser Reinhard Genzel en de Amerikaanse Andrea Ghez mogen zich voortaan winnaars van de Nobelprijs voor Natuurkunde noemen. De Koninklijke Zweedse Academie voor Wetenschappen bekroonde het drietal dinsdagmiddag voor hun baanbrekende bijdragen aan het onderzoek naar zwarte gaten.

Illustratie: Niklas Elmehed © Nobel Media.

Naast eeuwige roem ontvangen de laureaten oo

k de mooie geldsom van 10 miljoen Zweedse kronen (afgerond 950.000 euro). De helft daarvan gaat naar Penrose, de andere helft wordt netjes verdeeld tussen Ghez en Gensel.

Het Nobelprijscomité looft Penrose voor zijn “ontdekking dat de vorming van zwarte gaten een robuuste voorspelling is van de algemene relativiteitstheorie”, terwijl Genzel en Ghez de hoogste wetenschappelijke onderscheiding te danken hebben aan hun “ontdekking van een superzwaar compact object in het centrum van ons sterrenstelsel”.

Van mathematische fictie naar fysische realiteit

De intussen 89-jarige Penrose heeft in de afgelopen decennia een indrukwekkende staat van dienst opgebouwd en is nog steeds actief als professor emeritus van de Universiteit van Oxford. Penrose is evenwel niet de oudste winnaar: Arthur Ashkin was 96 toen hij de prijs in 2018 wegkaapte. Het citaat van het Nobelprijscomité verwijst naar het werk dat hij in de jaren 1960 verrichtte omtrent zwarte gaten.

Van bijzonder belang is een publicatie van Penrose uit 1965, waarin hij wiskundig bewees dat het bestaan ervan rechtstreeks volgt uit de relativiteitstheorie. Einstein zelf had ze tot aan zijn dood in 1955 veeleer als wiskundige constructies beschouwd dan er fysische realiteit aan toe te kennen.

Penrose werkte in die periode overigens nauw samen met de betreurde Stephen Hawking. Het Nobelprijscomité erkent ook expliciet de bijdrage van Hawking, maar een Nobelprijs mag nu eenmaal nooit postuum uitgereikt worden.

Het ABC van zwarte gaten

Zwarte gaten zijn dermate compacte objecten dat hun zwaartekracht zelfs licht gevangen houdt. Daardoor kan je ze niet rechtstreeks waarnemen en moet je hun bestaan afleiden uit hun impact op de omgeving. Maar voor zover iemand nog aan hun bestaan twijfelde, geldt de iconische foto uit 2019, waarop je de donkere silhouet van een zwart gat ziet tegen een achtergrond van gloeiend gas, als voldoende sterke aanwijzing. Het blijft een fascinerende prestatie van de menselijke geest dat je vanop louter theoretische grondslag het bestaan kan voorspellen van een exotisch object als een zwart gat.

Dit beeld uit april 2019 staat bekend als ‘de foto van een zwart gat’. De onderzoekers die het tot stand brachten, werden zelf ook getipt als kandidaat-Nobelprijswinnaars.

Ondertussen hebben wetenschappers achterhaald dat zwarte gaten ontstaan in de eindfase van de levensloop van zware sterren. Wanneer de ster alle brandstof erdoor gejaagd heeft, stort de kern van de ster in onder haar eigen gewicht. Bij sterren als de zon levert dit een witte dwerg op, bij wat zwaardere exemplaren een neutronenster, terwijl de zwaarste instorten tot een zwart gat. Deze stellaire zwarte gaten hebben typisch enkele tot enkele tientallen keren de massa van de zon.

Superzware zwarte gaten

Maar in de kern van sterrenstelsels treffen sterrenkundigen ook enorme objecten aan van miljoenen tot zelfs miljarden keren de massa van de zon. Daarover gaat het onderzoek van Genzel, directeur van het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, (Duitsland) en tevens professor aan de University of California, Berkeley (VS) en Ghez, professor aan de University of California, Los Angeles (VS).

Uit de baanbewegingen van sterren in het centrum van de Melkweg, het sterrenstelsel waartoe wij behoren, leidden zij het bestaan af van een onzichtbaar en uitermate zwaar object. Dat kan volgens Genzel en Ghez niets anders zijn dan een supermassief zwart gat. Deze kanjer, Sagittarius A* genaamd, heeft een massa van meer dan vier miljoen keer die van de zon.

Hoe deze supermassieve zwarte gaten tot stand komen, blijft één van de meest prangende vragen uit de hedendaagse sterrenkunde. De eenvoudigste verklaring zou luiden dat ze gevormd zijn uit ‘gewone’ zwarte gaten die verder zijn blijven groeien door steeds meer omliggende sterren en andere objecten op te slokken. Maar wetenschappers hebben er intussen ontdekt die ontstaan zijn toen het heelal nog geen miljard jaar oud was. En dat is veel te snel, zelfs voor een hongerig zwart gat.

Rolmodel

Maar Genzel en Ghez hoeven die vraag vandaag niet te beantwoorden. Nu mogen ze eerst even genieten van hun bijzondere erkenning. Ghez is nog maar de vierde vrouw die de nobelprijs fysica in de wacht sleept, na de legendarische Marie Curie in 1903, Maria Goeppert Mayer in 1963 en Donna Strickland in 2018.

In een eerste officiële reactie toonde ze zich meteen bewust van haar rolmodel voor vrouwelijke wetenschappers: “Ik ben verheugd dat ik de prijs in ontvangst mag nemen en neem de verantwoordelijkheid die ermee gepaard gaat zeer ernstig”. En verder: “Ik hoop dat ik andere jonge vrouwen kan inspireren. Dit onderzoeksdomein verschaft zoveel genoegen en als je gepassioneerd bent door wetenschap valt er nog zoveel in te doen”.

Zo komen planetaire nevels aan hun betoverende vormen

Planetaire nevels kunnen allerlei kleuren en vormen aannemen. Waarom de ene de gedaante van een schijf aanneemt, de andere spiraalvormig oogt en nog een andere bipolair, bleef tot dusver grotendeels onverklaard. Tot nu.

Beeld: Stellaire winden rond koele, oudere sterren. De collage toont een variatie aan vormen als schijven, kegels en spiralen. Blauw gekleurd materiaal komt naar ons toe, rood materiaal beweegt van ons weg. (L. Decin, ESO/ALMA)

Sterren als de zon slijten hun oude dag als een witte dwerg, een lichtzwak hemellichaam niet groter dan de aarde, dat enkel nog wat thermische straling uitzendt. Voor het zover is, zijn ze eerst opgezwollen tot een rode reus. Om af te slanken van rode reus tot witte dwerg ontwikkelt zich een sterrenwind waarmee de ster stromen van deeltjes uitstoot.

Zolang de centrale ster voldoende energie uitstraalt, licht de omhullende uitgestoten stermaterie op en spreken we van een planetaire nevel. Een wat misleidende naam, maar wat je zag door het soort telescopen waarover sterrenkundigen zoals William Herschel aan het eind van de 18de eeuw beschikten, leek nu eenmaal sterk op planeten.

Schijven en spiralen, maar geen bollen

Betere telescopen toonden een indrukwekkende variëteit aan kleuren en vormen van planetaire nevels. De kleuren lieten zich vrij eenvoudig verklaren. Het licht van de centrale ster ioniseert de uitgestoten deeltjes. Die zenden op hun beurt licht uit, met een kleur die afhangt van de chemische samenstelling. 

Maar de veelheid aan vormen valt niet zomaar te verklaren. Aangezien een ster bolvormig is, klinkt het aannemelijk dat de sterrenwinden evenzeer bolvormig zijn. Alleen zou je dan verwachten dat ook de oplichtende nevel bolvormig is. Wat duidelijk niet het geval is.

‘We zagen dat deze sterrenwinden allesbehalve symmetrisch of rond waren. Sommige waren schijfvormig, andere bevatten spiralen. In een derde groep konden we kegels onderscheiden’

Een team van sterrenkundigen besloot een intensieve waarnemingscampagne van sterrenwinden op te zetten. Daarvoor konden ze beschikken over het ALMA Observatorium in Chili, de grootste radiotelescoop ter wereld. Ze keken naar de sterrenwinden van veertien sterren in een fase die net aan de vorming van planetaire nevels voorafgaat. Dat leidde tot een grote, gedetailleerde verzameling van observaties van sterrenwinden, iets wat tot dan toe nog nooit gebeurd was.

Dankzij die campagne  kunnen we de aanname van bolvormige sterrenwinden naar de prullenmand verwijzen. Sterrenkundige Leen Decin (KU Leuven), hoofdauteur van de studie die op 18 september in het vakblad Science verscheen: ‘We zagen dat deze sterrenwinden allesbehalve symmetrisch of rond waren. Sommige waren schijfvormig, andere bevatten spiralen. In een derde groep konden we kegels onderscheiden.

Verleden herzien

Daarmee vond het team vormen die vrij goed vergelijkbaar met die van planetaire nevels. Zo begrijpen we dan wel hoe de vorm van een planetaire nevel uit de sterrenwind ontstaat, maar hebben we het probleem dan niet gewoon verlegd? Want waarom zijn de sterrenwinden niet bolvormig, terwijl ze toch door bolvormige sterren geproduceerd zijn?

Dat bracht de onderzoekers tot een andere hypothese: de vervorming van de sterrenwind is het gevolg van de aanwezigheid van een begeleider. Die is te klein en lichtzwak om waar te nemen. Het kan een andere lichte ster zijn, of een (zware) planeet. Decin vergelijkt het effect met een alledaags verschijnsel:  ‘Net zoals je in een tas koffie met wat melk een spiraalvormig patroon kan creëren met je lepel, zuigt de metgezel materiaal naar zich toe terwijl hij rond de ster draait en vormt zo de sterrenwind.’

‘Net zoals je in een tas koffie met wat melk een spiraal kan creëren met je lepel, zuigt de metgezel materiaal naar zich toe terwijl hij rond de ster draait’

Een modelmatige analyse bevestigde deze hypothese. ‘Al onze waarnemingen kunnen worden verklaard door het feit dat de sterren een metgezel hebben’, zegt Decin. Voor de aardigheid lieten de onderzoekers hun model ook eens draaien voor de zon. Over 7 miljard jaar mag je je volgens Decin en co verwachten aan een zwakke spiraalvorm in de sterrenwind. Met dank aan Jupiter en Saturnus.

Een lang openstaand raadsel oplossen is op zich al mooi genoeg. Maar Decin denkt een stap verder.  ‘Onze bevindingen veranderen heel wat. Aangezien er in het verleden geen rekening werd gehouden met de complexiteit van sterrenwinden, kan elke eerdere schatting van het massaverlies van oude sterren tot een factor 10 verkeerd zijn.’

‘Al onze waarnemingen kunnen worden verklaard door het feit dat de sterren een metgezel hebben’

En als we het massaverlies van stervende sterren tot dusver systematisch verkeerd ingeschat hebben, moeten we misschien wel cruciale eigenschappen van stellaire en kosmische evolutie herbekijken. Het team is meteen aan de slag gegaan met een vervolgstudie.