Free Press

Astronomen hebben met behulp van zwaartekrachtgolven de krachtigste, meest verre en meest verbijsterende botsing van zwarte gaten tot nu toe ontdekt. Van de twee kolossen die samensmolten toen het heelal half zo oud was als nu, heeft er ten minste één – die 85 keer zo veel weegt als de zon – een massa waarvan men dacht dat die te groot was om bij zo’n gebeurtenis betrokken te zijn. En de fusie produceerde een zwart gat van bijna 150 zonsmassa’s, schatten de onderzoekers, waarmee het in een gebied komt waar nog nooit eerder met zekerheid zwarte gaten waren gezien.

“Alles aan deze ontdekking is verbijsterend,” zegt Simon Portegies Zwart, een computationeel astrofysicus aan de Universiteit Leiden in Nederland. Hij zegt met name dat deze ontdekking het bestaan bevestigt van zwarte gaten met een ’tussenmassa’: objecten die veel massiever zijn dan een gewone ster, maar niet zo groot als de superzware zwarte gaten die in de centra van sterrenstelsels voorkomen.

Ilya Mandel, een theoretisch astrofysicus aan de Monash University in Melbourne, Australië, noemt de ontdekking “verbazingwekkend onverwacht”.

De gebeurtenis, beschreven in twee papers gepubliceerd op 2 september1,2, werd gedetecteerd op 21 mei 2019, door de tweelingdetectoren van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in de Verenigde Staten en door het kleinere Virgo-observatorium in de buurt van Pisa, Italië. Het wordt GW190521 genoemd naar zijn detectiedatum.

Verboden massa’s

Sinds 2015 hebben LIGO en Virgo nieuwe inzichten in de kosmos verschaft door gravitatiegolven te detecteren. Deze rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd kunnen gebeurtenissen zoals de samensmeltingen van zwarte gaten onthullen die normaal gesproken niet zichtbaar zouden zijn met gewone telescopen.

Uit de eigenschappen van de zwaartekrachtgolven, zoals hoe ze van toonhoogte veranderen, kunnen astrofysici de afmetingen en andere kenmerken schatten van de objecten die ze produceerden toen ze in elkaar spiraalden. Dit heeft een revolutie teweeggebracht in de studie van zwarte gaten, door rechtstreeks bewijs te leveren voor tientallen van deze objecten, variërend in massa van enkele tot ongeveer 50 maal de massa van de zon.

Deze massa’s komen overeen met zwarte gaten die op een ‘conventionele’ manier zijn gevormd – wanneer een zeer grote ster geen brandstof meer heeft om te verbranden en onder zijn eigen gewicht in elkaar stort. Maar de conventionele theorie zegt dat de ineenstorting van sterren geen zwarte gaten tussen 65 en 120 zonsmassa’s zou mogen produceren. Dat komt omdat sterren in een bepaalde grootteklasse tegen het einde van hun leven in hun centrum zo heet worden dat ze fotonen beginnen om te zetten in paren van deeltjes en antideeltjes – een verschijnsel dat paarinstabiliteit wordt genoemd. Dit leidt tot de explosieve fusie van zuurstofkernen, die de ster uit elkaar scheurt en volledig desintegreert.

In hun laatste ontdekking hebben de LIGO- en Virgo-detectoren alleen de laatste vier rimpelingen waargenomen die door de spiralende zwarte gaten werden geproduceerd, met een frequentie die binnen een tiende van een seconde toenam van 30 tot 80 Hertz. Terwijl relatief kleinere zwarte gaten blijven ’tsjirpen’ tot hogere frequenties, fuseren zeer grote eerder, en komen nauwelijks in het onderste deel van het frequentiebereik waarvoor de detectoren gevoelig zijn.

In dit geval werden de twee objecten geschat op een gewicht van ongeveer 85 en 66 zonsmassa’s. “Dit ligt keurig in het bereik waarvan je zou verwachten dat het massaverschil tussen twee instabiele zwarte gaten zou moeten liggen,” zegt LIGO-astrofysicus Christopher Berry van de Northwestern University in Evanston, Illinois.

Selma de Mink, astrofysicus aan de Harvard University in Cambridge, Massachusetts, schat de grens voor paarinstabiliteit nog lager, misschien op 45 zonsmassa’s, waardoor de lichtste van de twee objecten ook stevig in de verboden zone terecht zou komen. “Voor mij zijn beide zwarte gaten ongemakkelijk massief”, zegt ze.

Onconventionele zwarte gaten

Om hun waarnemingen te verklaren, overwogen de LIGO-onderzoekers een reeks mogelijkheden, waaronder dat de zwarte gaten er al zijn sinds het begin der tijden. Onderzoekers vermoeden al tientallen jaren dat zulke ‘oer’-zwarte gaten zich kort na de oerknal spontaan kunnen hebben gevormd in een breed scala van groottes.

Het belangrijkste scenario dat het team overwoog, is dat de zwarte gaten zo groot zijn geworden omdat ze zelf het resultaat waren van eerdere zwarte-gat-samenvoegingen. Zwarte gaten die ontstaan door de ineenstorting van sterren zouden moeten krioelen in dichte stellaire clusters, en in principe zouden ze herhaalde fusies kunnen ondergaan. Maar zelfs dit scenario is problematisch, omdat na een eerste samensmelting het resulterende zwarte gat normaal gesproken een schop krijgt van de zwaartekrachtgolven en zichzelf uit de cluster werpt. Slechts in zeldzame gevallen zou het zwarte gat in een gebied blijven waar het nog een fusie zou kunnen ondergaan.

Opeenvolgende fusies zouden waarschijnlijker zijn als de zwarte gaten in het drukke centrale gebied van hun melkwegstelsel woonden, zegt de Mink, waar de zwaartekracht sterk genoeg is om te voorkomen dat terugspringende objecten naar buiten schieten.

Het is niet bekend in welk sterrenstelsel de fusie plaatsvond. Maar ongeveer in hetzelfde gebied van de hemel zag een team van onderzoekers een quasar – een extreem helder galactisch centrum dat wordt aangedreven door een superzwaar zwart gat – die ongeveer een maand na GW1905213 een fakkel onderging. De vlam zou een schokgolf kunnen zijn geweest in het hete gas van de quasar, veroorzaakt door het terugspringende zwarte gat, hoewel veel astronomen voorzichtig zijn om aan te nemen dat de twee fenomenen verband met elkaar houden.

Dit is de tweede keer dit jaar dat de LIGO-Virgo samenwerking zich in een ‘verboden’ massabereik heeft begeven: in juni beschreven zij een fusie waarbij een object van ongeveer 2,6 zonsmassa’s betrokken was – doorgaans beschouwd als te licht om een zwart gat te zijn, maar te massief om een neutronenster te zijn.