Beweging sterren dicht bij zwart gat centrum Melkweg is maar paar honderd jaar voorspelbaar
De banen van 27 sterren die ronddraaien op kleine afstand van het zwarte gat in het centrum van onze Melkweg, zijn erg chaotisch. Daardoor kunnen onderzoekers niet betrouwbaar voorspellen waar ze over zo'n 462 jaar zijn. ‘Dat is werkelijk verbazingwekkend kort’ , aldus sterrenkundige Simon Portegies Zwart die meewerkte aan het onderzoek.
Het simuleren van 27 sterren en hun wisselwerking met elkaar en met het zwarte gat, is gemakkelijker gezegd dan gedaan. Eeuwenlang was het bijvoorbeeld onmogelijk om van meer dan twee sterren, planeten, stenen of andere voorwerpen die elkaar beïnvloeden, de bewegingen te voorspellen. Pas in 2018 ontwikkelden Leidse onderzoekers een computerprogramma waarin afrondingsfouten geen rol meer spelen in de berekeningen. Daarmee konden ze van drie fictieve sterren hun bewegingen doorrekenen. Nu hebben de onderzoekers hun programma uitgebreid zodat het overweg kan met 27 sterren die voor astronomische begrippen rakelings langs het zwarte gat in het centrum van de Melkweg bewegen.
De simulaties van de 27 zware sterren en het zwarte gat zorgden voor een verrassing. Hoewel de sterren in hun baan om het zwarte gat blijven, blijkt dat door de onderlinge wisselwerkingen tussen de banen van de sterren chaotisch zijn. Dat houdt in dat kleine verstoringen, veroorzaakt door die onderliggende wisselwerkingen, de banen van de sterren veranderen. Deze veranderingen groeien exponentieel en zorgen er op de lange termijn voor dat we sterbanen niet meer kunnen voorspellen.
Zwart gat geeft schok door
‘Al na 462 jaar kunnen we de banen niet meer betrouwbaar voorspellen. Dat is werkelijk verbazingwekkend kort,’ zegt sterrenkundige Simon Portegies Zwart. Hij vergelijkt het met ons zonnestelsel dat pas na 12 miljoen jaar niet meer betrouwbaar te voorspellen is. ‘Het is in de omgeving van het zwarte gat dus 30.000 keer zo chaotisch als bij ons. Dat hadden we helemaal niet verwacht. Het zonnestelsel is natuurlijk wel zo'n 20.000 keer kleiner, bevat miljoenen keer minder massa en heeft slechts acht relatief lichte objecten in plaats van 27 zware. Maar als je het vooraf aan mij had gevraagd, zou dat niet zo veel moeten uitmaken.’
Volgens de onderzoekers ontstaat de chaos elke keer ongeveer op dezelfde manier. Er zijn steeds twee of drie sterren die elkaar dicht naderen. Dat zorgt voor onderling duwen en trekken tussen de sterren. Dit leidt weer tot iets andere sterbanen. Het zwarte gat waar al die sterren omheen draaien, wordt vervolgens een beetje weggeduwd. Dat voelen die andere sterren dan weer. Op deze manier werkt een kleine interactie tussen twee sterren door voor alle 27 sterren in de centrale cluster.
Inzoomen op omloopbaan
‘We laten onze simulatie steeds 10.000 jaar lopen. Als je dan vanaf een afstandje naar de sterren kijkt, lijkt het of ze allemaal in dezelfde banen blijven,’ zegt oud-promovedna van Portegies Zwart Tjarda Boekholt. Ze werkt ondertussen aan de University of Oxford. ‘Pas als je inzoomt op een stukje van een omloopbaan worden de chaotische variaties zichtbaar. Deze variaties kunnen veertig astronomische eenheden omvatten, dat is veertig keer de afstand tussen de aarde en de zon.’
De onderzoekers vergelijken de chaos bij het zwarte gat met het fietsen door de stad. Je weet ongeveer hoe lang je er over doet, maar je kan het niet exact voorspellen. Als er een brug open staat waar je op moet wachten, of wanneer iemand voor je fiets springt, kun je zo minuten later aankomen. ‘En zo is het ook een beetje met de sterren rond het zwarte gat’, zegt Portegies Zwart. ‘Je weet dat er geregeld onverwachte gebeurtenissen plaatsvinden, en die zorgen voor een exponentiële verandering. Die kunnen we nu wel meten, maar over 462 jaar is het centrum van de Melkweg met het zwarte gat en de 27 sterren eromheen niet meer voorspelbaar. We kunnen de posities en snelheden van die sterren dan niet meer betrouwbaar voorspellen.’
Voor Portegies Zwart en zijn collega's is het getal van 462 jaar niet zozeer van belang. ‘Die 462 jaar is natuurlijk erg kort, maar ons gaat het erom dat we als sterrenkundigen anders dan voorheen moeten kijken naar wat er rond een zwart gat gebeurt’, zegt hij. ‘Ik heb samen met Tjarda Boekholt een woordenlijst aangelegd met definities. Er waren namelijk geen termen die dit nieuwe type chaotisch gedrag dat we observeerden accuraat omschrijven.’
Punctuated chaos
De onderzoekers noemen het fenomeen 'punctuated chaos', ofwel onderbroken chaos. De term is geïnspireerd op de evolutiebiologie waar het omgekeerde plaatsvindt: het zogeheten punctuated equilibrium. Dat gaat over de evolutie binnen een soort waar vaak sprake is van een langdurig evenwicht dat maar heel sporadisch schoksgewijs onderbroken wordt.
‘Voorheen wist je niet of de chaos in simulaties een echt natuurkundige oorsprong had, of dat het kwam door afrondingsfouten en andere problemen met de berekeningen,’ zegt mede-auteur Douglas Heggie, gepensioneerd wis- en sterrenkundige aan de University of Edinburgh. Hij is pionier op het gebied van het N-body problem bij sterren. ‘We hebben de simulaties en de achterliggende berekeningen op allerlei manieren op de pijnbank gelegd. Onze resultaten blijven staan als een huis. We kunnen nu echt uitspraken doen over het chaotisch gedrag van systemen met meerdere sterren. Dat is prachtig.’
Wetenschappelijke artikelen
Punctuated chaos and indeterminism in self-gravitating many-body systems. Door: Tjarda Boekholt, Simon Portegies Zwart & Douglas Heggie. In: International Journal of Modern Physics D. [origineel | preprint]. Deze publicatie ontving een eervolle vermelding bij de essay-wedstrijd van de Gravity
Punctuated chaos and the unpredictability of the Galactic center S-star orbital evolution. Door: Simon Portegies Zwart, Tjarda Boekholt & Douglas Heggie. In: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. [origineel | preprint]
Dit artikel verscheen als persbericht op de website van de Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA).
Header: EHT Collaboration
Afbeelding in de tekst: Simon Portegies Zwart et al.