Universiteit Leiden

Wat er gebeurt als twee sterrenstelsels botsen

Als sterrenstelsels botsen, botsen de zwarte gaten in hun centrum dan ook om samen een supergroot zwart gat te vormen? Dat veronderstelt men wel, maar zo eenvoudig is dat niet, stelt Simon Portegies Zwart. De informaticus en sterrenkundige gaat het onderzoeken met een Vici-beurs.Een miljard zonnemassa's Sterrenstelsels groeien langzaam, doordat ze met elkaar botsen of eigenlijk in elkaar schuiven. Daardoor worden ze zwaarder. In de kern van ieder sterrenstelsel bevindt zich een superzwaar zwart gat, dat zo zwaar kan zijn als een miljard zonnemassa's. Het zwarte gat in onze melkweg is drie tot vier miljoen keer zwaarder dan de zon. Hoe ze zich vormen is niet bekend, maar de zwarte gaten in grote sterrenstelsels zijn zwaarder. Er is dus een correlatie tussen de massa van het zwarte gat en van het sterrenstelsel.

Simon Portegies Zwart: 'De natuur is niet zo simpel.' Dubbele zwarte gaten
'Je kunt veronderstellen dat als twee sterrenstelsels versmelten, ook de zwarte gaten botsen en daardoor groter worden', zegt Portegies Zwart. 'Dat is een aantrekkelijke oplossing voor dit probleem, maar de natuur is niet zo simpel. Zwarte gaten zijn moeilijk waar te nemen en dat geldt ook voor dubbele zwarte gaten. Theoretisch is het nog niet zo zeker dat die zwarte gaten ook op elkaar zullen botsen. Sterker nog, je kan met vrij eenvoudige natuurkunde aantonen, dat bij een botsing de zwarte gaten dicht bij elkaar in de buurt komen, maar ze stoppen met naar elkaar toe bewegen, op een afstand van ongeveer een parsec (3,26 lichtjaar).'

Twee botsende sterrenstelsels
Bindingsenergie
De interactie tussen de zwarte gaten en de sterren drijft de zwarte gaten naar elkaar toe. Ze vormen dan een dubbel zwart gat. Daaromheen draaien de sterren. Als een ster te dicht in de buurt komt, wordt hij met grote snelheid weggeslingerd. Dat kost bindingsenergie die getapt wordt uit het dubbele zwarte gat, met het gevolg dat de zwarte gaten elkaar dichter naderen. Op een gegeven moment zijn de sterren in de buurt op en worden er dus geen sterren meer weggeschoten. Zwaartekrachtstraling
Portegies Zwart: 'Als de twee zwarte gaten elkaar dicht genoeg genaderd zijn, gaan relativistische effecten een rol spelen. Dan naderen ze elkaar niet meer door het wegslingeren van sterren, maar door het uitstralen van zwaartekrachtstraling. Maar dat wordt pas effectief op een afstand van een duizendste parsec. Voor de overbrugging van één naar een duizendste parsec hebben we nog geen oplossing. Er zijn wel een paar interessante suggesties gedaan. In mijn Vici-project wil ik dit nu eens consistent uitrekenen. Op papier is dat te complex. Daarvoor hebben we computers nodig.' En niet zomaar computers.

Artistieke impressie van twee op elkaar botsende superzware zwarte gaten. Universitair docent
Portegies Zwart is behalve sterrenkundige ook informaticus. Tot voor kort was hij in Amsterdam universitair docent (UD). Leiden bood hem eerst een bijzonder hoogleraarschap aan, maar toen hij een Vici won - een bijzondere prestatie voor een UD - werd dat gewoon hoogleraar. In Leiden is hij de eerste UD die rechtstreeks hoogleraar geworden is. 'Er zijn twee stromingen in de Nederlandse sterrenkunde', vertelt hij. 'Amsterdam, Utrecht en Nijmegen richten zich voornamelijk op sterren en dubbelsterren, Leiden en Groningen doen sterrenstelsels en kosmologie. Er is weinig overlap en kruisbestuiving tussen beide stromingen. Met het emeritaat van Ed van den Heuvel viel mijn draagvlak in Amsterdam een beetje weg, terwijl Leiden juist meer gericht is op mijn specialisatie: de computationele sterdynamica.' Interactie
Een sterrenstelsel heeft zo'n 100 miljard sterren, maar die zijn niet tot op iedere individuele ster uit te rekenen. Tot nu toe is dat op twee manieren aangepakt. De eerste methode gaat uit van een stelsel met tien miljoen sterren. Dan vertegenwoordigt iedere ster een klomp sterren. De zwarte gaten zijn dan net zo zwaar als de andere objecten. Maar op die manier kan de interactie tussen de zwarte gaten en de sterren niet op de juiste manier meegenomen worden. Soep
De tweede methode werkt met een gedetailleerder systeem. 'Daarin zijn de stelsels al op elkaar gebotst en is er een soep van sterren ontstaan', zegt Portegies Zwart, 'met de twee zwarte gaten in het midden. Maar hier zijn de begincondities weer te artificieel: een sferisch, symmetrisch clubje sterren dat mooi in evenwicht is, met twee zwarte gaten in een cirkelbaan. Maar die twee kunnen niet op elkaar botsen, want daarvoor zijn er niet genoeg sterren in het systeem. Dat kan ik ook op papier uitrekenen.'

Een waargenomen dubbel superzwaar zwart gat in de kern van het samengesmolten sterrenstelsel Abel 400. Grafische kaarten
Eigenlijk moet de basis van de simulatie de werkelijke omvang zijn: twee stelsels met een zwart gat erin. Portegies Zwart: 'Je rekent dan het hele systeem door tot de zwarte gaten op elkaar botsen. Dat is niet zo makkelijk, want alle 1011 sterren moet je meenemen. Nieuwe ontwikkelingen in de computerwetenschap maken dit soort berekeningen mogelijk. Dat zijn de algoritmiek en grafische kaarten die ook veel gebruikt worden voor computerspelletjes. Die kaarten zijn erg snel en voor het berekenen van zwaartekracht uitermate geschikt.' Uitdaging
'We gaan een parallelle computer bouwen met een heleboel van die grafische kaarten. Daar kan je nog niet helemaal een echt sterrenstelsel mee uitrekenen, want 1011 sterren is wel een erg grote uitdaging. Daar is een tweede stap voor nodig: een koppeling van verschillende codes om de bewegingsdynamica van sterren te berekenen. Die koppeling is er, een heel precieze berekening voor sterren in de buurt van een zwart gat en een minder nauwkeurige, maar wel snellere, voor sterren verder weg. Het gaat er voornamelijk om wat de sterren in de buurt van het zwarte gat doen. Wat de uitkomst ook zal zijn, het levert in ieder geval iets op. Botsen de twee zwarte gaten, dan is het probleem opgelost. Botsen ze niet dan is er kennelijk meer aan de hand en moeten we verder zoeken.'

(14 juli 2009/SH)