En dat doet astronomen goed.

Een internationaal team van onderzoekers – waaronder ook astronomen van de Universiteit van Amsterdam – hebben ontdekt dat het zwarte gat Cygnus X-1 veel zwaarder is dan lang werd aangenomen. Het is niet 15, maar maar liefst 21 zonsmassa’s zwaar. Dat is te lezen in het blad Science. De herziene massa van Cygnus X-1 zorgt voor enige opwinding onder sterrenkundigen. Het gat tussen kleine stellaire gaten en middelzware zwarte gaten is met de ontdekking namelijk weer een stukje kleiner geworden.

Cygnus X-1 is een zwart gat, waarvan het bestaan in de jaren zestig van de vorige eeuw voor het eerst gesuggereerd werd. Geigertellers aan boord van een raket sloegen in die tijd op hol, omdat ze een grote hoeveelheid röntgenstraling opvingen, die afkomstig leek te zijn van een zwart gat. Die röntgenstraling ontstaat doordat rond het zwarte gat een zeer zware ster cirkelt, waaraan het zwarte gat gas onttrekt. Hierdoor ontstaat rond het zwarte gat een accretieschijf. De materie in deze schijf wordt enorm verwarmd, waardoor röntgenstraling ontstaat. Hoewel dat vandaag de dag misschien als een vrij logisch verhaal klinkt, was dat in de jaren zestig van de vorige eeuw wel anders; zwarte gaten waren een puur theoretisch verschijnsel en niet iedereen was ervan overtuigd dat Cygnus X-1 een zwart gat was. En dat bleef ook nog wel even zo. Zo wedde Stephen Hawking in 1974 nog dat Cygnus X-1 geen zwart gat was. Daar kwam hij in 1990 echter op terug. En vandaag de dag staat Cygnus X-1 te boek als het eerste zwarte gat waarvan de wetenschappelijke gemeenschap het bestaan – uiteindelijk – breed accepteerde.

Afstand
Wetenschappers hebben het zwarte gat nu nog eens onder de loep genomen met behulp van de Very Long Baseline Array, een radiotelescoop bestaande uit tien schotels die verspreid zijn over de Verenigde Staten. Op basis van de waarnemingen bepaalden ze de afstand tussen het zwarte gat en de aarde. “We maakten hierbij gebruik van een verschijnsel dat ‘parallax’ wordt genoemd,” zo legt professor Sera Markoff, verbonden aan de Universiteit van Amsterdam desgevraagd uit. “Als je je armen uitstrekt naar een verder weg gelegen object en je duimen omhoog steekt en afwisselend je ene en dan weer je andere oog sluit, dan lijkt het alsof je duim zich ten opzichte van het afgelegen object verplaatst. Als je de hoek van de schijnbare beweging en de afstand tussen je ogen weet, kun je driehoeksmeetkunde gebruiken om de afstand tot je duim te berekenen. In ons geval is de duim de radiostraling die Cygnus X-1 uitstoot, het afgelegen object op de achtergrond is een quasar die eveneens radiostraling uitstoot, maar miljarden lichtjaren ver weg staat. En de ogen zijn de radiotelescopen op de aarde.” In het eerdergenoemde voorbeeld, worden de twee ogen afwisselend gesloten. Met de radiotelescopen pakt men dat net iets anders aan. “Wanneer je op verschillende plekken in de omloopbaan van de aarde naar Cygnus X-1 kijkt, is dat eigenlijk vergelijkbaar met wanneer je afwisselend met het ene en het andere oog naar je duimen kijkt,” legt Markoff uit. “De afstand tot Cygnus X-1 is enorm (bijna 7000 lichtjaar) en de verandering in de positie aan de hemel is zelfs als tussen de ‘ogen’ een afstand zit die vergelijkbaar is met de diameter van de omloopbaan van de aarde, klein. Maar met het netwerk van radiotelescopen kunnen we de positie – en daarmee dus ook de verandering daarin die door de parallax ontstaat – heel nauwkeurig meten.” Zo ontdekten de onderzoekers dat Cygnus X-1 20 procent verder van de aarde verwijderd is dan gedacht.


Massa
Vervolgens gingen de onderzoekers een stap verder en berekenden ze ook de massa van het zwarte gat. “Als je de massa van de begeleidende ster weet (die kun je afleiden uit het optische licht ervan), en ook de afstand tussen deze ster en het zwarte gat en de omlooptijd van de ster bekend zijn, kun je de massa van het zwarte gat berekenen,” legt Markoff uit. “We kunnen de omlooptijd heel accuraat berekenen aan de hand van variaties in het optische licht van de ster, maar om de massa van de ster en afstand tot het zwarte gat te berekenen, moet je weten hoe helder de ster echt is (want de massa is voor dit soort sterren afhankelijk van de helderheid).” Maar om vast te stellen hoe helder de ster is, moet je weten hoe groot de afstand tussen de aarde en de ster is. “Dus toen onze metingen aantoonden dat die afstand groter was dan gedacht, wees dat er automatisch op dat zowel de massa van het zwarte gat als de vergezellende ster ook aanzienlijk groter moest zijn dan werd aangenomen,” aldus dr. Phil Uttley, eveneens verbonden aan de Universiteit van Amsterdam.

Rechts zie je het zwarte gat dat gas van de begeleidende zware ster naar zich toetrekt. Hierdoor ontstaat een accretieschijf. Ook de jets – een gebundelde stroom gas die loodrecht staat op het vlak waarin de accretieschijf roteert – zijn zichtbaar. Afbeelding: ICRAR.

Kleiner gat
De berekeningen wijzen erop dat Cygnus X-1 zo’n 21 zonsmassa’s zwaar is. Dat is aanzienlijk zwaarder dan de 15 zonsmassa’s die eerder aan het zwarte gat werden toegeschreven. En Cygnus X-1 gaat voor nu zelfs de boeken in als het zwaarste stellaire zwarte gat dat zonder zwaartekrachtgolfdetectoren gespot is. Met de nieuwe massa kruipt het stellaire zwarte gat – tot grote vreugde van astronomen – dichter naar de middelzware zwarte gaten (30 tot 40 zonsmassa’s) toe. “De middelzware zwarte gaten zitten tussen de stellaire zwarte gaten en de supermassieve zwarte gaten die we in het hart van sterrenstelsels vinden, in,” zo vertelt Uttley. Onduidelijk is nog hoe de middelzware zwarte gaten – die de afgelopen jaren regelmatig gedetecteerd zijn dankzij zwaartekrachtgolven die vrijkomen tijdens de fusie van deze zwarte gaten – ontstaan. Aangenomen wordt dat het begint met zware sterren die om elkaar heen cirkelen, evolueren tot zwarte gaten, die vervolgens samensmelten tot nog zwaardere zwarte gaten. Maar hoe dat precies allemaal in zijn werk gaat, weten onderzoekers niet. Cygnus X-1 kan daar wellicht meer inzicht in geven. Het zwarte gat blijkt qua massa tegen middelzware zwarte gaten aan te schurken én rond het zwarte gat cirkelt een zware ster die nog moet transformeren tot een zwart gat dat vervolgens weer met het bestaande zwarte gat fuseert. “Cygnus X-1 is qua massa, maar ook qua evolutie nog maar halverwege,” aldus Markoff.

Modellen
De onderzoekers hopen dan ook dat Cygnus X-1 kan helpen om theoretische modellen te verfijnen. “Er zijn veel verschillende modellen waarvoor Cygnus X-1 van belang is,” aldus Uttley. “Hoe zware sterren dubbelsystemen vormen, evolueren tot zwarte gaten en hoe die zwarte gaten uiteindelijk weer samensmelten, is een belangrijk onderdeel van de stellaire evolutie. Cygnus X-1 is met name heel interessant, omdat er relatief veel zware elementen in het gas van dit systeem zitten. Aangenomen werd dat dergelijke systemen krachtigere winden hadden die het grootste deel van het gas wegvoerden en de zwarte gaten die hier tot standkwamen lichter maakten. Maar de grotere massa die we hebben vastgesteld, suggereert dat dat niet het geval is en de winden niet zo goed in staat zijn om het gas weg te voeren. Dat kan implicaties hebben voor de evolutie van zware sterren, die sterk gedicteerd wordt door de winden die deze sterren genereren. Daarnaast zijn we ook geïnteresseerd in hoe zwarte gaten energie ‘vangen’ en omzetten in bijvoorbeeld winden en straalstromen die deeltjes versnellen en de omgeving ioniseren. We denken dat deze processen er door de tijd heen toe geleid hebben dat sterrenstelsels er uit zijn gaan zien, zoals wij ze nu kennen en de weg vrij hebben gemaakt voor opeenvolgende generaties sterren. Maar al deze modellen moeten getest worden.” Cygnus X-1 is daar dankzij dit onderzoek heel geschikt voor. Want de modellen test je idealiter met een systeem waarvan je heel veel data hebt en bijvoorbeeld weet hoe ver het van de aarde verwijderd is, hoeveel het zwarte gat weegt, hoe zwaar de begeleidende ster is en hoe groot de afstand tussen de begeleidende ster en het zwarte gat is. “Cygnus X-1 was het eerste zwarte gat dat ontdekt is en is in veel opzichten ook het belangrijkste zwarte gat voor het testen van al deze theorieën.”


Het onderzoek krijgt dan ook ongetwijfeld nog een staartje. “Theoretici die proberen om zware sterren te doorgronden, zullen hun modellen in het licht van deze resultaten ongetwijfeld aanpassen, zodat duidelijker wordt wat de effecten van minder efficiënte winden en zwaardere zwarte gaten zijn,” aldus Markoff. “Hier in Amsterdam zijn we weer meer geïnteresseerd in het zwarte gat en hoe het de materie in de omringende accretieschijf beïnvloedt en straalstromen voortbrengt. Ook hebben we tijdens dit onderzoek veel data verzameld op andere golflengten (met name röntgenmetingen), dus de grote uitdaging is nu om al die data te combineren en te ontdekken welke geheimen Cygnus X-1 nog voor ons heeft.”