Dankzij de scherpste beelden die ooit van de dansende sterren zijn gemaakt, hebben we nu een nauwkeuriger beeld van de massa en afstand tot Sagittarius A*.

In het hart van onze Melkweg bevindt zich een superzwaar zwart gat: Sagittarius A*. Het is een mysterieus verschijnsel waar wetenschappers nogal wat vragen over hebben. “Hoeveel massa heeft het precies? Draait het rond? Gedragen de sterren eromheen zich precies zoals we op grond van Einsteins algemene relativiteitstheorie verwachten?” somt onderzoeker Reinhard Genzel zomaar enkele vragen op.

Dansende sterren
Het heeft weinig zin om – op jacht naar antwoorden op deze vragen – naar Sagittarius A* zelf te kijken. Het zwarte gat is zelf namelijk onzichtbaar; aan de intense zwaartekracht van Sagittarius A* kan zelfs licht niet ontsnappen. Om toch een beter beeld te krijgen van het zwarte gat richten onderzoekers zich dan ook noodgedwongen op de sterren die eromheen draaien. Naar die sterren wordt al decennialang onderzoek gedaan – onder meer door Genzel, die daarvoor al een Nobelprijs in de wacht sleepte. En voortbordurend op dat eerdere onderzoek is het Genzel en collega’s nu gelukt om de scherpste beelden die ooit van de omgeving van het zwarte gat zijn gemaakt, af te leveren.

Ontdekkingen
De beelden leveren behoorlijk wat nieuwe inzichten op. Zo kunnen de onderzoekers op basis van de beelden nauwkeuriger vaststellen hoe zwaar dat onzichtbare zwarte gat is en hoever het van ons verwijderd is. En als klap op de vuurpijl resulteren de beelden dan ook nog eens in de ontdekking van een nog niet eerder waargenomen en om het zwarte gat heen dansende ster: S300.

De beelden zijn gemaakt met behulp van de Very Large Telescope Interferometer (kortweg VLTI). “De VLTI levert een ongelooflijke ruimtelijke resolutie en met de nieuwe beelden kunnen we dichterbij komen dan ooit tevoren,” stelt onderzoeker Julia Stadler. “We staan versteld van de hoeveelheid details, en van de actie en het aantal sterren die ze rond het zwarte gat laten zien.”

Hierboven zie je enkele sterren die heel dicht om Sagittarius A* draaien en tussen maart en juli 2021 zijn waargenomen. Afbeelding: ESO / GRAVITY collaboration.

S29 en S300
De onderzoekers observeerden de sterren rond Sagittarius A* tussen maart en juli 2021. Eén van de sterren die daarbij gevolgd werd terwijl deze het zwarte gat naderde, was S29. Deze kwam in mei 2021 het dichtst bij het zwarte gat in de buurt en passeerde Sagittarius A* daarbij op een afstand van slechts 13 miljard kilometer (oftewel negentig keer de afstand tussen de zon en de aarde). De ster had daarbij een snelheid van 8740 kilometer per seconde(!). Nog niet eerder is een ster waargenomen die zo dicht bij het zwarte gat komt. Of die er zo snel omheen beweegt. Ook vermeldenswaardig is natuurlijk S300: de ster die onderzoekers tijdens deze studie voor het eerst hebben waargenomen. De ontdekking van deze ster laat zien hoe krachtig hun waarneemmethode is als het gaat om het opsporen van zeer zwakke objecten in de buurt van het zwarte gat.

Interferometrie
Behalve krachtig is de methode ook tamelijk complex. Daarin is een sleutelrol weggelegd voor GRAVITY: een instrument dat met behulp van een techniek die interferometrie wordt genoemd het licht van alle vier de 8,2-meter telescopen van ESO’s Very Large Telescope (VLT) combineert. “Uiteindelijk krijg je zo beelden die twintig keer scherper zijn dan die van de afzonderlijke VLT-telescopen en die de geheimen van het Melkwegcentrum onthullen,” vertelt onderzoeker Frank Eisenhauer.

Model
Vervolgens moet je de beelden natuurlijk ook nog kunnen duiden. Daarvoor ontwikkelden de onderzoekers een model van hoe de sterren eruit zouden kunnen zien en simuleerden hoe GRAVITY die zou waarnemen. Vervolgens vergeleken ze de uitkomsten van die simulatie met de daadwerkelijke waarnemingen van GRAVITY. Die aanpak stelde de onderzoekers in staat om de sterren rond het zwarte gat met een ongekende nauwkeurigheid op te sporen en te volgen. “Door de nauwe baanbewegingen van sterren rond Sagittarius A* te volgen, kunnen we het zwaartekrachtsveld rond het dichtstbijzijnde superzware zwarte gat nauwkeurig meten, de algemene relativiteitstheorie toetsen en de eigenschappen van het zwarte gat bepalen,” vertelt Genzel.

Massa
Zo zijn de onderzoekers op basis van de nieuwe beelden bijvoorbeeld in staat om een zeer nauwkeurige schatting te maken van de massa van het zwarte gat. Want in combinatie met eerder verzamelde gegevens onthullen de waarnemingen dat de sterren precies de route volgen die de algemene relativiteitstheorie voorspelt voor sterren die rond een 4,3 miljoen zonsmassa’s zwaar zwart gat dansen. Het is volgens de onderzoekers de meest nauwkeurige schatting van de massa van Sagittarius A* tot nu toe. Daarnaast hebben ze ook de afstand tot het zwarte gat nauwkeurig kunnen bepalen: die bedraagt 27.000 lichtjaar.

En dat is nog maar de opmaat naar meer. Want later dit decennium wordt GRAVITY geüpdate naar wat onderzoekers GRAVITY+ noemen en in staat moet zijn om nog veel zwakkere sterren die bovendien veel dichter bij het zwarte gat in de buurt staan, op te sporen. Het doel is om uiteindelijk sterren te vinden die zo dicht bij Sagittarius A* in de buurt komen dat hun banen beïnvloed worden door de zwaartekrachtseffecten van de rotatie van het zwarte gat. Met behulp van de nog in aanbouw zijnde Extremely Large Telescope zou het mogelijk moeten zijn om ook de snelheden van deze sterren heel nauwkeurig te meten en zo uiteindelijk grip te krijgen op een andere interessante eigenschap van Sagittarius A*. “Met de gecombineerde krachten van GRAVITY+ en de ELT zullen we kunnen vaststellen hoe snel het zwarte gat ronddraait,” vertelt Eisenhauer. “Dat is tot nu toe nog niemand gelukt.”