Astronomen verbijsterd: mysterieus object opgeslokt door zwart gat

Het onbekende hemellichaam, dat door de meting van zwaartekrachtsgolven kon worden gelokaliseerd, stelt aloude opvattingen over de gewelddadige dood van reuzensterren ter discussie.

Wednesday, July 1, 2020,
Door Nadia Drake
In deze computersimulatie tollen twee zwarte gaten om elkaar heen en staan op het punt te ...

In deze computersimulatie tollen twee zwarte gaten om elkaar heen en staan op het punt te fuseren terwijl ze zwaartekrachtsgolven uitzenden. De oranje banden vertegenwoordigen de hoogste stralingsniveaus die door het stelsel worden uitgezonden. De zwaartekrachtsgolven van de fusie werden op 14 augustus 2019 door de observatoria LIGO en Virgo geregistreerd en laten zien dat het kleinere object ongeveer 2,6 zonsmassa’s zwaar is – een massa die valt in een mysterieus ‘gat’ tussen de zwaarste neutronensterren en de lichtste zwarte gaten.

Foto van Beeld door N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Een raadselachtige dreun in de kosmos heeft astronomen verbluft. 

Op een afstand van zo’n achthonderd miljoen lichtjaar heeft een zwart gat een onbekend object in zijn geheel opgeslokt, een fusie waarbij genoeg energie vrijkwam om het weefsel van de ruimtetijd zelf te doen rimpelen. De rimpelingen of zwaartekrachtsgolven reisden door het universum en galmden uiteindelijk op 14 augustus 2019 door de aarde, waar drie extreem gevoelige meetinstrumenten ze in minuscule bewegingen konden opvangen. Maar toen astronomen zich verdiepten in de informatie die in deze golven ligt besloten, stonden ze voor een raadsel.

De fusie met de aanduiding ‘GW190814’ onderscheidt zich van tientallen andere kosmische botsingen die tot nu toe door het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) – een samenwerkingsverband van honderden wetenschappers – en zijn Italiaanse tegenhanger Virgo zijn geregistreerd. Twee objecten draaiden gedurende miljoenen of misschien wel miljarden jaren om elkaar heen, waarbij ze elkaar steeds dichter naderden en uiteindelijk in elkaar opgingen. Astronomen stelden vast dat een van de beide objecten een zwart gat met een massa van 23 zonnen was. Het andere object, dat in zijn geheel werd opgeslokt, had een zwaarte van slechts 2,6 zonsmassa’s en is een mysterie dat tot nu toe niet is opgelost. 

“We kunnen met zekerheid zeggen dat we zoiets nog niet eerder hebben gezien,” zegt Vicky Kalogera van de Northwestern University, coördinator van het rapport over de fusie dat afgelopen maandag in de Astrophysical Journal Letters werd gepubliceerd.

Het mysterieuze object bevindt zich precies in het vage overgangsgebied tussen een extreem zwaar hemellichaam met een duidelijke oppervlakte, zoals de zwaarste neutronensterren die tot nu zijn waargenomen, en een superklein zwart gat. Neutronensterren zijn de overblijfsels van reuzensterren die instorten tijdens een supernova-explosie, terwijl zwarte gaten ontstaan wanneer nóg zwaardere sterren imploderen tot een punt van oneindige dichtheid.

Wetenschappers proberen uit te vinden waar de definitie van een neutronenster eindigt en die van een zwart gat begint, want die afbakening zou veel kunnen vertellen over de wijze waarop materie zich onder de meest extreme omstandigheden in de kosmos gedraagt. En omdat deze objecten de eindresultaten zijn van de evolutie van sterren, kunnen ze op een zeker moment in de verre toekomst – wanneer alle sterren zijn opgebrand – het enige zijn wat nog in een verder leeg universum rondzweeft. Dat alles maakt het identificeren van het vreemde object dat bij de GW190814-fusie is waargenomen, zo fascinerend. 

“Als het een neutronenster is, dan gaat het om een heel spannende massa voor een neutronenster. Als het om een zwart gat gaat, dan heb je het over een zeer spannende massa voor een zwart gat,” zegt Kalogera. “In beide gevallen deed het ons meteen rechtop zitten toen we het zagen.”

Luisteren naar zwaartekracht

Zwaartekrachtsgolven verplaatsen zich met de snelheid van het licht door de ruimte en galmen door alles heen wat ze op hun weg vinden. Daarbij veroorzaken ze rimpelingen in de ruimtetijd zelf, trillingen die zó miniem zijn dat ze bijna niet waarneembaar zijn. De detectoren van LIGO in Washington en Louisiana, en de Virgo-detector in Italië maken gebruik van interferometrie, een methode waarbij met behulp van de weerkaatsing van laserstralen wordt gemeten hoe lang het laserlicht erover doet om een bepaalde afstand af te leggen. Elke verandering, hoe minuscuul ook, in de normale ‘reistijd’ van deze stralen duidt erop dat de ruimtetijd zelf een beetje wordt ingedrukt en uitgerekt.

De meetcampagne van LIGO leidde in 2015 tot de eerste succesvolle detectie van zwaartekrachtsgolven, een prestatie die drie Amerikaanse wetenschappers de Nobelprijs voor de natuurkunde zou opleveren. Sindsdien wijzen de meeste metingen van dit soort golven op de fusie van twee zwarte gaten. Astronomen hebben ook rimpelingen in de ruimtetijd waargenomen die het gevolg waren van fuserende neutronensterren. Maar anders dan bij de fusie van zwarte gaten hebben wetenschappers grote moeite om te achterhalen welke objecten bij de GW190814-fusie waren betrokken.

Hoewel het zwaardere object duidelijk een zwart gat is, is het minder zware object een van de zeer weinige hemellichamen die in het zogenaamde ‘massagat’ tussen neutronensterren en zwarte gaten vallen. Ergens in dat gat wordt materie instabiel en stort ineen tot een zwart gat. Extreem zware neutronensterren balanceren op het randje van die limiet. 

“De natuur stelt een grenswaarde aan de stabiliteit van dichte materie,” zegt Zaven Arzoumanian, verbonden aan het Goddard Space Flight Center van de NASA. “Maar we weten niet waar die grens precies ligt en wat er aan weerszijden van de grens met materie gebeurt,” zegt Arzoumanian, die de wetenschappelijke leiding over het NICER-project heeft, een experiment waarbij neutronensterren vanuit het International Space Station worden bestudeerd.

Uit waarnemingen komt naar voren dat neutronensterren niet veel zwaarder kunnen worden dan 2,1 zonsmassa’s en dat de meeste van deze bizarre sterren ongeveer 1,4 zonsmassa’s zwaar zijn, zegt Feryal Özel van de University of Arizona, die de grenswaarden voor dit soort hemellichamen bestudeert. Maar sommige observaties wijzen op nóg zwaardere neutronensterren, met een dichtheid van circa 2,5 zonsmassa, hoewel deze gegevens nog niet eenduidig zijn. Uit theoretische modellen waarmee de interne mechanismen van neutronensterren worden nagebootst, blijkt tot nu toe dat nóg zwaardere neutronensterren niet stabiel kunnen blijven en onder hun eigen gewicht zullen imploderen.

Aan de andere zijde van het ‘massagat’ bevinden zich extreem lichte zwarte gaten, die niet meer dan vijf zonsmassa’s zwaar zijn. Tot voor kort waren er geen zwarte gaten met nog lagere massa’s ontdekt. Maar onlangs werd een object geïdentificeerd dat eveneens door LIGO was gemeten en het resultaat was van de fusie van twee neutronensterren: een hemellichaam dat niet meer dan circa 2,7 zonsmassa’s zwaar was.

Voorlopig is nog onduidelijk of het zwarte gat van de GW190814-fusie een ander zwart gat heeft opgeslokt of dat het een neutronenster heeft verorberd. 

“Als het toch een neutronenster blijkt te zijn (en als een neutronenster zo zwaar als 2,6 zonnen kan worden), dan betekent dat echt een revolutie in ons vakgebied,” zegt Özel.

Zij en Kalogera vermoeden dat het mysterieuze object een lichtgewicht zwart gat is. “Er zijn geen natuurkundige redenen waarom een zwart gat niet 2,6 zonsmassa’s zwaar zou kunnen zijn,” zegt Özel. Wel wijzen ze erop dat het zeer lastig zal zijn om een definitief antwoord te vinden. Het stelsel is te ver weg om door andere observatoria te worden bestudeerd. Ook wordt een mogelijke aanwijzing verhuld door het grote verschil in massa tussen beide objecten: als het zwarte gat een beetje minder zwaar zou zijn geweest, zou het misschien mogelijk zijn geweest om het zwarte gat een naderende neutronenster te zien vervormen, in plaats van dat het zo’n ster in z’n geheel had opgeslokt. De vervormingen zouden een herkenbaar patroon in de zwaartekrachtsgolven hebben achtergelaten. 

“Ik denk niet dat er ook maar enige kans bestaat dat we achter de ware aard van dit object zullen komen,” zegt Özel. “De veelzeggende aanwijzingen voor een neutronenster zijn niet waarneembaar, maar ook de afwezigheid ervan vertelt ons niets.”

Onbekende oorsprong

Ook zonder te weten om welke objecten het precies gaat, zijn de hoofdrolspelers in de GW190814-fusie ook bijzonder omdat ze zulke verschillende massa’s hebben. Bij de meeste fusies die door LIGO en Virgo zijn waargenomen, gaat het om paren van objecten die ongeveer dezelfde massa hebben; maar met zijn 23 zonsmassa’s is dit zwarte gat ongeveer negenmaal zo zwaar als zijn lichtere partner. 

“Dat hadden we nog niet eerder gezien,” zegt Özel. “Het opent de deur naar onderzoek met behulp van zwaartekrachtsgolven dat we nog niet eerder hebben kunnen doen. En het roept vragen op over de oorsprong van deze binaire combinatie.”

Door de asymmetrie van het stelsel is het voor wetenschappers lastig om de oorsprong en omgeving ervan nader te verklaren. Het is bijvoorbeeld gebruikelijk dat paren van zeer compacte objecten in sterrenhopen – oeroude en dichte clusters van sterren die rond sterrenstelsels draaien – bestaan uit hemellichamen van dezelfde massa. Binnen het sterrenstelsel zelf zouden binaire paren die zich in isolatie hebben ontwikkeld, kunnen bestaan uit objecten van meer uiteenlopende massa’s, maar volgens de huidige modellen komen fusies bij dat soort binaire paren veel te zelden voor om dit soort waarnemingen op te leveren.

Het team denkt na over exotischer oorsprongsmodellen, waaronder de fusie van meerdere stelsels tegelijk of een losse verzameling sterren of objecten die in de rondtollende accretieschijf van een superzwaar zwart gat verstrikt zijn geraakt. 

Maar zoals zo vaak in een universum met oneindig veel mogelijkheden, zijn er nog veel open vragen.

“Een van de redenen waarom neutronensterren zo fascinerend zijn, is het feit dat ze het laatste station zijn op weg naar het punt waarop materie definitief tot een zwart gat implodeert,” zegt Arzoumanian. “Welke stabiele dichtheid kan materie überhaupt bereiken voordat het onder zijn eigen massa implodeert en – voorbij de event horizon– voor altijd verdwijnt?”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

Waarneming van tientallen ‘ongewenste sterren’

Met een flinke snelheid bewogen ze over de hemelboog, keurig in één lijn. Wat kon dit zijn? Een ufo? Meteorieten?

Mars is aan het zoemen, en wetenschappers weten niet waarom

De nieuwste robot-geoloog van de NASA vangt op de Rode Planeet een vreemde trilling op.
Lees meer