Ruimte

Bijzondere zwarte gaten onthuld door rimpelingen in de ruimtetijd

Drie miljard jaar geleden botsten twee kolossale zwarte gaten op elkaar, waardoor zwaartekrachtgolven over de aarde spoelden.donderdag 9 november 2017

Door Nadia Drake
Twee zwarte gaten smelten samen in de verre kosmos. Een getekende illustratie van de gebeurtenis die de meest recente zwaartekrachtgolven veroorzaakte.

Met behulp van wetenschappelijke instrumenten op aarde zijn nu lichte rimpelingen in de ruimtetijd geregistreerd die door deze kosmische ramp zijn veroorzaakt. Dit is de derde keer ooit dat zwaartekrachtgolven rechtstreeks zijn waargenomen. De verzamelde waarnemingen, stuk voor stuk gerapporteerd door LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), geven een nieuwe kijk op het universum.

De golven bevatten informatie over de oorsprong van de zwarte gaten. Deze cruciale gegevens betwisten een heleboel ideeën over hoe zwarte gaten groeien, waar ze verblijven en waarom ze in zo’n gewelddadig, dodelijk ballet eindigen. (Lees ook “Astronomen kunnen de eerste foto van een zwart gat hebben.”)

Astrofysicus Daryl Haggard van de McGill Universiteit: “Het universum kent nog steeds mysteries. We dachten dat we wisten hoe zwarte gaten ontstaan, maar nu zien we dat er nog heel wat over de ruimte te ontdekken valt.”

Zwarte gaten zeggen ‘boem’

LIGO ontdekte de golven van de meest recente botsing tussen zwarte gaten op 4 januari 2017, zo’n drie miljard jaar na het gebeuren. De zwaartekrachtgolven overspoelden de aarde en beroerden heel lichtjes de twee identieke installaties van lasers en spiegels in Hanford (Washington) en in Livingston (Louisiana) in de VS.

bekijk galerij

De golven zorgden ervoor dat de ruimte op aarde kromp en uitdijde. Dat gebeurde weliswaar slechts met een fractie van de breedte van een proton, één van de deeltjes die tezamen een atoomkern vormen. Uiteraard kunnen mensen dit niet waarnemen, maar de lasers van LIGO zijn zo gevoelig dat ze zelfs zo’n kleine verstoring kunnen opmerken.

Na zorgvuldige analyse van het signaal kwam het team van LIGO tot de conclusie dat dit het gevolg moest zijn van een botsing tussen twee zwarte gaten. Eén met een massa die een slordige 30 keer groter is dan die van de zon en één met de massa van 19 keer de zon.

Deze zwarte gaten dansten al een eeuwigheid om elkaar heen. Langzaam maar zeker raakten ze verstrikt in een dodelijke, kosmische spiraal. Terwijl ze elkaar steeds dichter naderden, straalden ze energie uit in de vorm van zwaartekrachtgolven. En op het moment dat ze daadwerkelijk op elkaar botsten en samensmolten, werd de kracht van deze golven nog groter.

Het resultaat van deze kosmische spiraaldans is een enkel zwart gat met een verbijsterende massa van 50 zonnen, bestaande uit gekromde, oneindige ruimtetijd. Het team van LIGO heeft haar resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

Bizar grote gaten

De eerste zwaartekrachtgolven die LIGO in september 2015 en december 2015 registreerde, betroffen ook botsingen tussen zwarte gaten. In twee van de drie gevallen bleken de zwarte gaten verbijsterend veel groter te zijn dan wat astrofysici hadden verwacht.

Wetenschappers kunnen uit deze waarnemingen concluderen dat veel van wat ze over deze stellaire zwarte gaten dachten te weten niet bepaald juist is.

Stellaire zwarte gaten zijn overblijfselen van geëxplodeerde sterren die groter zijn dan onze zon. Je zou zeggen dat hoe groter de ster is, hoe groter het restant zal zijn. Maar in de astrofysica werkt dat niet zo.

Het tegendeel is het geval. Hoe groter de ster, hoe onstuimiger de energieproductie. Dit zorgt voor krachtige zonnewinden die gedurende de levensloop van de ster deeltjes de ruimte in slingeren. Tegen de tijd dat de ster instort, is hierdoor een groot deel van haar massa verloren gegaan. Uiteindelijk blijft er dan niet meer dan een relatief klein zwart gat over.

Deze opname van de ruimtetelescoop Hubble is de duidelijkste observatie van de Vijfling, een compacte sterrenhoop van jonge sterren op 25.000 lichtjaar van de Aarde. De Vijfling staat op slechts honderd lichtjaar van het centrum van de Melkweg en die positie betekent dat hij in slechts een paar miljoen jaar uit elkaar zal worden getrokken.

Volgens Steinn Sigurdsson van de universiteit van Pennsylvania deden theorieën en waarneming decennialang vermoeden dat stellaire zwarte gaten niet groter konden worden dan ruwweg 10 keer de massa van de zon. Maar LIGO toont zwarte gaten aan die aanzienlijk meer massa hebben dan dit aangenomen maximum, hoewel ook deze minder fors zijn dan sommige krachtpatsers in het centrum van een sterrenstelsel.

“Voor onze ontdekkingen wisten we niet eens zeker of deze zwarte gaten daadwerkelijk bestonden,” aldus LIGO-teamlid Laura Cadonati van Georgia Tech. Nu staan astrofysici voor de uitdaging te verklaren hoe deze eigenaardige objecten zijn ontstaan.

“We moeten nog zien te verklaren waarom ze zo enorm groot zijn,” zegt Haggard. “Dit was bij de eerste ontdekking al ontzettend lastig. Hoewel we het bestaan ervan met onze modellen niet helemaal konden uitsluiten, is een zwart gat met een massa van 30 keer die van de zon zeer verrassend. Deze [nieuw ontdekte zwarte gaten] zijn echt enorm.”

Eén verklaring voor deze gigantische zwarte gaten is dat de sterren waaruit ze zijn voortgekomen voornamelijk uit waterstof en helium bestonden. Met zo’n samenstelling ontstaan minder krachtige zonnewinden en verliest een ster minder massa. Als zulke sterren vervolgens sterven, krijgt het zwarte gat dat overblijft ook meer massa.

Deze sterren kwamen ooit veelvuldig voor in bolvormige sterrenhopen of dicht opeengepakte groepen van extreem oude sterren die door sterrenstelsels cirkelen, ook in het onze.

Gezien door telescopen op Aarde lijkt de sterrennevel op de foto een rechthoekige vorm te hebben, vandaar zijn naam: de ‘Rode Rechthoek-nevel’. Maar uit opnamen van de ruimtetelescoop Hubble bleek dat de nevel beter de ‘Rode X-nevel’ genoemd kan worden. De unieke vorm van deze nevel is te danken aan gaswolken die in kegelvormige straalstromen worden uitgestoten door de stervende ster in het centrum van de nevel. Deze ster begon 14.000 jaar geleden al met het afstoten van zijn buitenste lagen en zal langzaam kleiner en heter worden, waarbij hij een vloed aan ultraviolet licht uitzendt.

Twee verschillende ontstaansgeschiedenissen?

Ander bewijs van LIGO ondersteunt de gedachte dat bolvormige sterrenhopen een rol spelen bij het ontstaan van dubbele, zware zwarte gaten.

Het LIGO-team kon uit de metingen van de zwaartekrachtgolven verschillende kenmerken van de zwarte gaten vóór de samensmelting afleiden. Onder andere in welke richting ze bewogen en hoe ze om hun as draaiden. Volgens Cadonati lijkt het erop dat de botsing binnenin een bolvormige sterrenhoop plaatsvond.

Eén theorie voor het ontstaan van dubbele zwarte gaten gaat uit van twee massieve sterren die om elkaar heen bewegen. Wanneer die sterren sterven, blijven de overblijfselen op dezelfde manier bewegen. Dat resulteert vaak in twee zwarte gaten die op eenzelfde manier om hun as draaien en in dezelfde richting bewegen.

De meest recente gegevens van LIGO lijkt er echter op te wijzen dat de voormalige zwarte gaten niet op dezelfde manier om hun as draaiden. Het zou kunnen dat deze zwarte gaten in een bolvormige sterrenhoop zijn gevormd, maar dan wel ver van elkaar verwijderd. Vervolgens bewogen ze zich naar de kern van de sterrenhoop om daar in een ongelukkige spiraal terecht te komen.

Op deze manier is hun lot het gevolg van de dynamiek en de chaos in het centrum van de sterrenhoop en niet van een leven lang in elkaars nabijheid te verkeren. Deze verklaring lijkt te passen bij de recente gegevens, maar volgens Sigurdsson is er geen enkele reden om aan te nemen dat slechts één scenario juist is.

“Mijn persoonlijke overtuiging is dat het zowel in het galactische veld als in de sterrenhopen voorkomt. En deze sterrenhopen zijn waarschijnlijk de drijvende kracht achter de hoge-massapopulatie die we op grote afstand zien,” zegt Sigurdsson.

“Het zegt ons iets over deze populatie, waar deze vandaan komt. Het gaat waarschijnlijk een enorme ruzie worden tijdens de workshop die ik deze zomer geef.”

Aanvullende waarnemingen van LIGO moeten antwoorden opleveren en die waarnemingen kunnen elk moment plaatsvinden. Astronomen passen hun theorieën aan aan deze nieuwgevonden gegevens.

Volgens Haggard spreken de gegevens van LIGO nu al een flink aantal ideeën tegen over de evolutie van sterren en sterrenhopen, en zelfs enkele opvattingen over de mysterieuze donkere materie. Alleen de relativiteitstheorie van Einstein houdt stand. De gegevens van LIGO sluiten prachtig aan bij de voorspellingen uit deze theorie.

“Op dit moment is de astrofysica compleet in verwarring over het ontstaan van deze zwarte gaten,” aldus Haggard. “Maar de natuurkunde heeft alles nog op een rijtje.”

Lees meer