Dit is de vreemdste sollicitatie uit de natuurkunde: de man wiens vergelijkingen zwarte gaten denkbaar maakten, bracht een deel van zijn carrière door met argumenteren tegen hun bestaan. In 1939 gebruikte Albert Einstein zijn eigen algemene relativiteitstheorie in een poging te bewijzen dat zwarte gaten niet konden bestaan.
Het heelal weigerde mee te werken. Binnen één mensenleven wogen astronomen er een, hoorden ze er twee met elkaar botsen, en fotografeerden ze er uiteindelijk een. Een zwart gat is een gebied waar de zwaartekracht volledig wint — alles wat de grens overschrijdt, blijft er, inclusief licht — en het verhaal van hoe we ertoe kwamen erin te geloven, zit vol weddenschappen, twijfels en één heel toepasselijk sterretje.
Het idee kwam in een brief uit 1784
De vroegste versie van een zwart gat dateert van meer dan een eeuw vóór Einstein, en kwam per post. John Michell, een Engelse astronoom en predikant, berekende dat een ster met de dichtheid van de zon maar 500 keer zo'n grote straal, haar eigen sterlicht zou verzwelgen: aan het oppervlak zou de snelheid die nodig is om te ontsnappen groter zijn dan de lichtsnelheid zelf. Hij publiceerde de berekening in 1784 als onderdeel van een brief.
Michells 'duistere ster' was gebaseerd op de verkeerde natuurkunde, maar kwam toch uit op het juiste idee — een massa zo geconcentreerd dat licht er niet kan ontsnappen. Het duurde bijna twee eeuwen voordat het concept ophield te klinken als een wiskundige grap.
De grootste twijfelaar schreef de vergelijkingen
Einsteins poging in 1939 om zwarte gaten uit te sluiten, is een van de grote ironieën van de wetenschap: de theorie die hij verdedigde bleef ze in stilte opeisen. De kwestie werd — in elk geval wiskundig — beslecht in 1965, toen Roger Penrose bewees dat de algemene relativiteitstheorie singulariteiten voorspelt in elk zwart gat. Het was geen toevalstreffer van nette, symmetrische modellen die zou verdwijnen in het rommelige echte heelal. Het was de regel.
Dat resultaat maakte van zwarte gaten geen curiositeit meer, maar een voorspelling. Wat nog ontbrak, was een echt exemplaar aan de hemel waar astronomen naar konden wijzen.
Een weddenschap die Stephen Hawking hoopte te verliezen
Het wijzen begon bij Cygnus X-1, een felle röntgenbron in het sterrenbeeld Zwaan. Tegen 1971 hadden meerdere onderzoeksgroepen onafhankelijk van elkaar dit object aangewezen als de eerste kandidaat-zwart gat die brede acceptatie kreeg. Het object weigerde zich als een gewone ster te gedragen, en het bewijs werd steeds sterker.
Sterk genoeg, in feite, om er een gok op te wagen. In 1975 sloten Stephen Hawking en Kip Thorne een vriendschappelijke weddenschap over de vraag of Cygnus X-1 werkelijk een zwart gat bevatte — en Hawking, die jarenlang aan de theorie van zwarte gaten had gewerkt, wedde met opzet tegen, zodat het verliezen van de weddenschap in elk geval een overwinning voor de natuurkunde zou betekenen. Hij gaf zich in 1990 gewonnen, toen de waarnemingen nauwelijks nog ruimte voor twijfel lieten. Tegenwoordig wordt het compacte object in Cygnus X-1 geschat op ongeveer 21,2 keer de massa van de zon — een object dat geen enkele gewone ster die we kennen zou kunnen verklaren.
Zwarte gaten zijn niet helemaal zwart
Hawkings troostprijs was groter dan de weddenschap zelf. In 1974 liet hij zien dat de kwantumveldentheorie zwarte gaten dwingt om te gloeien — zwak, als een zwart lichaam, bij een temperatuur die wordt bepaald door hun zwaartekracht aan het oppervlak. Dit effect heet nu Hawkingstraling, en het betekent dat een zwart gat in principe langzaam kan verdampen.
In de praktijk krimpt geen enkel zwart gat nog. Zelfs de kleinste waargenomen klasse, stellaire zwarte gaten, neemt momenteel meer massa op uit de kosmische microgolfachtergrond — het ijle nagloeien van de oerknal — dan ze verliezen door Hawkingstraling. Voorlopig groeit de balans alleen maar.
De dag dat de ruimtetijd klonk als een bel
Honderd jaar lang was elke test van zwarte gaten indirect. Toen, eind 2015, vingen de LIGO- en Virgo-samenwerkingsverbanden de eerste directe detectie van zwaartekrachtsgolven op — een gebeurtenis genaamd GW150914, en tegelijk de eerste ooit waargenomen fusie van zwarte gaten.
De details van het signaal zijn duizelingwekkend. De twee zwarte gaten die spiraalsgewijs samensmolten, hadden een massa van respectievelijk ongeveer 30 en 35 keer de zon, en de botsing vond plaats op ongeveer 1,4 miljard lichtjaar van de aarde. Een rimpeling in de ruimtetijd legde die afstand af en werd hier nog steeds door instrumenten geregistreerd. Honderden vergelijkbare detecties volgden, maar GW150914 was het moment waarop zwarte gaten ophielden stil te zijn.
Portretten van twee monsters
Zwarte gaten horen was niet genoeg; astronomen wilden er een zien. Op 10 april 2019 publiceerde de Event Horizon Telescope de allereerste directe afbeelding van een zwart gat — de supermassieve reus in de kern van het sterrenstelsel Messier 87, gloeiend als een ring van sintels rond een gat in de lucht.
Het vervolg lag dichter bij huis. In 2022 bracht dezelfde samenwerking een afbeelding uit van Sagittarius A*, het zwarte gat in het centrum van onze eigen Melkweg, gereconstrueerd uit gegevens die al in 2017 waren verzameld. Twee portretten, twee sterrenstelsels, precies dezelfde natuurkunde — het sterkste visuele bewijs tot nu toe dat waarnemingshorizonnen echte plekken zijn, geen theoretische boekhouding.
Het zwaargewicht om de hoek
De eerste afbeelding van Sagittarius A, vastgelegd door de samenwerking rond de Event Horizon Telescope. Foto: EHT Collaboration, Wikimedia Commons, CC BY 4.0*
Sagittarius A* is het zwarte gat dat we het beste kennen, en de cijfers zijn wonderbaarlijk nauwkeurig. De massa komt uit op 4,297 miljoen zonsmassa's, met een nauwkeurigheid tot op 0,012 miljoen — een boekhouding zo precies dat een bank er jaloers op zou zijn. Het bevindt zich op ongeveer 26.000 lichtjaar afstand, en de gemeten omvang komt uit op 51,8 miljoen kilometer — ongeveer 32,2 miljoen mijl — in doorsnede.
Dat getal verdient een vergelijking. De aarde draait op 150 miljoen kilometer van de zon, en Mercurius komt op zijn dichtste punt tot op 46 miljoen kilometer. Zet Sagittarius A* op de plek van de zon, en de schaduw ervan zou voorbij de baan van Mercurius reiken — één object breder dan de eerste rijstrook van het binnenste zonnestelsel.
Een 'opwindende' naam en een rusteloze eetlust
Het sterretje in Sgr A* is geen voetnoot. Robert Brown voegde het in 1982 toe: de radiobron kwam op hem 'opwindend' over, en natuurkundigen markeren de aangeslagen toestanden van atomen met een sterretje. Het is wellicht het enige object aan de hemel dat naar een stemming is vernoemd.
De naam is nog steeds toepasselijk. In 2013 betrapten astronomen die met de röntgentelescoop Chandra keken, Sgr A* op een uitbarsting die 400 keer feller was dan het gebruikelijke rustige gemurmel. Zelfs een grotendeels slapend zwart gat herinnert de buurt, zo blijkt, af en toe eraan wie het centrum van het sterrenstelsel bezit.