Astronomen melden dat ze voor de eerste keer licht hebben gezien dat via de achterzijde van een zwart gat is gereisd. Het licht weerkaatste op de schijf van materie die rond het zwarte gat draait en kromde vervolgens om het gat heen richting de aarde.
Het gaat om röntgenstraling die ontstond toen het superzware zwarte gat gas naar binnen slurpte. Als gas richting een zwart gat valt, warmt het op tot een temperatuur van miljoenen graden. In deze kolkende hete brij, de corona, ontstaan uitbarstingen van röntgenlicht. Die verschenen in dit geval op een afstand tot zo’n 60 miljoen kilometer van het zwarte gat.
Een internationaal team astronomen, waaronder Elisa Costantini van het Nederlandse ruimteonderzoeksinstituut SRON, bracht zulke röntgenflitsen in kaart. Tot hun verrassing zagen de onderzoekers na een reeks heldere uitbarsten nog een tweede reeks, zwakkere röntgenflitsen. Dat bleek geen nieuwe serie uitbarstingen te zijn, maar een weerkaatsing van het eerder gemeten röntgenlicht.
Spiegelschijf
Het röntgenlicht kwam van ‘boven’ het zwarte gat en weerkaatste op zijn accretieschijf. Dat is een schijf van materie die ontstaat wanneer het zwart gat spul uit zijn omgeving naar binnen trekt. Zwarte gaten zijn allesverslindende monsters die alles waar ze bij kunnen opslurpen. Terwijl ze gas en stof naar binnen trekken, zal een deel daarvan zich ophopen rondom het gat. Daar vormt het een platte, draaiende schijf, die een soort wachtrij vormt voor het spul dat het gat in zal vallen.
Een deel van het licht reflecteerde op de schijf aan de achterzijde en boog vervolgens om het gat heen, terug naar de voorkant, concluderen de onderzoekers. Dat afbuigen gebeurt doordat een zwart gat zo zwaar is dat het de ruimtetijd om zich heen kromt. Licht moet deze kromming van de ruimtetijd volgen en beweegt daardoor niet in een rechte lijn, maar in een bochtje. Hoe dat precies gebeurt, wordt beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Einsteins gelijk
De vertraging tussen flits en weerkaatsing was een hint dat het licht via de achterkant van het zwarte gat was gereisd, zegt Costantini. Het team wist dat vervolgens te bevestigen door te bekijken hoe de energie van de oorspronkelijke flits en die van het weerkaatste licht verschilden. Tijdens hun reis naar de achterkant van het gat verschuift de energie van de lichtdeeltjes (fotonen) namelijk wat. De verschuiving die de astronomen maten, kwam netjes overeen met hun model dat voorspelt hoe licht bij zo’n reflectie verandert.
‘Het model bevestigde dat de fotonen rond het zwart gat bogen, vertraagden en in energie verschoven, zoals de algemene relativiteitstheorie voorschrijft’, zegt Costantini.
‘Hoewel deze waarneming ons beeld van de accretie rondom zwarte gaten niet verandert, is het een mooie demonstratie van hoe de algemene relativiteit in deze systemen een rol speelt’, zegt astrofysicus Erin Kara van Massachusetts Institute of Technology, die niet bij de studie betrokken was.
Het is de eerste keer dat we licht hebben gezien dat aan de achterkant van een zwart gat heeft vertoefd, zeggen de onderzoekers in hun publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. Het zwarte gat dat de flitsen vertoonde, staat in het midden van sterrenstelsel I Zwicky 1, op een afstand van 800 miljoen lichtjaar van de aarde. Het gevaarte is ongeveer 30 miljoen keer zo zwaar is als onze zon.
Scherp plaatje
Astronoom Adam Ingram van de Universiteit van Oxford is enthousiast over het onderzoek. ‘We zien licht heel dicht om een zwart gat heen buigen. Laten we voorop stellen: dat is cool.’
Ingram wijst erop dat de röntgenflitsen die de astronomen zagen, erg geschikt waren voor een dergelijke meting. ‘De röntgenflitsen die ze observeerden, waren helder en scherp. Daarmee hebben ze geluk gehad, want daardoor was ook de reflectie duidelijk terug te zien in de meetgegevens.’
Astronoom William Alston van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA sluit zich daarbij aan. ‘Omdat de onderzoekers een korte flits zagen, konden ze de verschillende componenten van de reflectie van elkaar onderscheiden – die van de dichtstbijzijnde kant en die van de andere kant.’ Het is de eerste dat dit gelukt is, zegt Alston.
Risico op ruis
In het vakgebied klinken er echter ook kritische geluiden. Op de eerste plaats gaan die over de metingen en de statistische methodes die het team gebruikte. ‘Het is een uitdaging om de weerkaatsing te onderscheiden van variaties in de corona’, zegt Alston. ‘De oorspronkelijke straling van de corona schommelt in helderheid over de hele breedte van het röntgengebied. Wanneer je je telescoop op een bron richt, zie je dus een mix van die variaties en het weerkaatste licht.’ Het is lastig om de twee netjes van elkaar te scheiden en dus ook om echt zeker te zijn dat de weerkaatsing die je meent te zien niet toch per ongeluk een kleine nieuwe uitbarsting is in de corona.
Ingram wijst erop dat de gebruikte statistiek ‘minder robuust’ is dan bij andere methodes, doordat de onderzoekers een aantal aannamen moesten doen. Toch is hij van mening dat de conclusie van het team steekhoudend is. ‘De weerkaatsing die de onderzoekers zien, komt precies overeen met wat de modellen voorspellen dat er gebeurt als licht reflecteert op de schijf. Het ziet er gewoon overtuigend uit.’
Eerste keer
Een andere kanttekening die Alston plaatst, is bij de bewering dat het de eerste keer is dat we licht van de achterzijde van een zwart gat zien. Ook bij eerdere metingen van röntgenlicht is aangenomen dat een deel van het licht een reflectie is van de achterzijde, stelt hij. ‘En ook in het eerste beeld van een zwart gat dat de Event Horizon Telescope maakte, zijn fotonen te zien die door de zwaartekracht vanaf de achterkant van het zwart gat zijn gebogen.’
Over het algemeen is het resultaat dus interessant, zegt Alston, maar is de bewering dat het het eerste licht is van de achterkant wat te stellig. Je zou wel kunnen zeggen dat dit de meest directe meting tot nog toe is.
Alston ziet wel een duidelijk belang van het werk. ‘Als het onderzoek klopt, dan biedt het een andere manier om metingen te doen aan de accretieschijf en zwarte gaten: met behulp van lichtecho’s.’ Ingram sluit daarbij aan. ‘We kunnen hiermee eigenschappen van een zwart gat vaststellen, zoals zijn massa en rotatie. En dat stelt ons in staat om de algemene relativiteitstheorie tot in detail te toetsen.’
