Astronomen zien grootste en vreemdste fusie van zwarte gaten ooit

De kosmische botsing leidde tot een type zwart gat dat nog niet eerder is waargenomen – en dat is niet eens het vreemdste aan de observatie.

Friday, September 4, 2020,
Door N/A
Deze illustratie toont binaire zwarte gaten die op het punt staan met elkaar te fuseren. Tot ...

Deze illustratie toont binaire zwarte gaten die op het punt staan met elkaar te fuseren. Tot nu toe zijn er geen elektromagnetische emissies waargenomen die in verband gebracht kunnen worden met GW190521.

Foto van Illustratie Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Ruim zeven miljard jaar geleden cirkelden twee stellaire zwarte gaten om elkaar heen totdat ze in een immense explosie fuseerden. Daarbij kwam zóveel energie vrij dat er rimpels door het weefsel van de ruimtetijd zelf werden uitgezonden. In de vroege ochtend van 21 mei 2019 golfde deze trilling door de aarde, waardoor astronomen getuige konden zijn van de zwaarste kosmische explosie die ze ooit hadden waargenomen – en eentje die de theoretische verwachtingen te boven gaat.

Het signaal werd opgepikt door twee observatoria – de interferometers van LIGO in de VS en Virgo in Italië – en overspoelde de aarde in de vorm van zwaartekrachtsgolven, rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd die alleen bij extreme kosmische explosies worden veroorzaakt. Signaal ‘GW190521’ werd uitgezonden door een immense explosie. Volgens schattingen van onderzoekers moeten twee stellaire zwarte gaten van respectievelijk 66- en 85-maal de massa van onze zon om elkaar heen zijn gecirkeld en uiteindelijk een nieuw zwart gat van 142 zonsmassa’s hebben gevormd.

Het onderzoek naar de kosmische botsing – verreweg de zwaarste explosie die door middel van zwaartekrachtsgolven is waargenomen – werd gisteren gepresenteerd in het tijdschrift Physical Review Letters. Bij de fusie van de zwarte gaten kwam in een fractie van een seconde achtmaal zoveel energie vrij als in alle atomen van onze zon ligt besloten, dat alles in de vorm van zwaartekrachtsgolven. Die hoeveelheid energie is vergelijkbaar met het afgaan van meer dan duizend biljoen kernbommen per seconde, en dat 13,8 miljard jaar lang, gedurende de hele leeftijd van het waarneembare universum. 

Volgens Caltech-astronoom Matthew Graham, die geen deel uitmaakt van de teams van LIGO of Virgo, is de gebeurtenis “waarschijnlijk de zwaarste explosie die we ooit in het universum hebben waargenomen.”

De fusie van de zwarte gaten zorgt om verschillende redenen voor grote ophef onder wetenschappers. Ten eerste valt het zwarte gat dat erdoor werd gevormd wat betreft massa in een verbluffend hiaat in onze observaties. Tot nu toe hebben onderzoekers stellaire zwarte gaten met een massa van vele tientallen malen van die van onze zon waargenomen, en daarnaast superzware zwarte gaten, met een massa van miljoenen of zelfs miljarden zonsmassa’s. Maar nog nooit was een zwart gat in het massabereik tussen de honderd en honderdduizend zonsmassa’s waargenomen. Met een massa van zo’n 142 zonsmassa’s is het zwarte gat dat bij GW190521 werd gevormd, het eerste in zijn soort: een middelzwaar zwart gat. 

“We kunnen die kwestie nu oplossen en zeggen dat middelzware zwarte gaten inderdaad bestaan,” zegt Christopher Berry, natuurkundige aan de Northwestern University en lid van het LIGO-team.

Maar voor Berry en anderen is het resulterende zwarte gat niet het meest opwindende aspect van de gebeurtenis. De échte verrassing is het grotere van de twee oorspronkelijke zwarte gaten, met een massa van 85 zonnen. Theoretisch gezien zouden zwarte gaten in dat massabereik niet moeten bestaan. 

“Dit is schokkend, want het valt in een bereik waar we dachten dat zwarte gaten niet bestonden,” zegt hij.

Onverwacht zwart gat

Het 85 zonsmassa’s zware zwarte gat is zo’n groot mysterie vanwege de wijze waarop zware sterren volgens wetenschappers aan hun einde komen. 

Ondanks het feit dat sterren ziedende nucleaire ovens zijn, bevinden ze zich in een perfecte balans: de ster wordt met immense kracht in elkaar gedrukt door zijn eigen zwaartekracht, terwijl de straling die zijn kern uitzendt, de materie weer naar buiten duwt. Maar zware sterren bereiken in hun kern soms zulke hoge fusietemperaturen dat deze balanceer-act wordt verstoord. Afzonderlijke lichtdeeltjes (fotonen) nemen genoeg energie op om paren van elektronen en positronen (de antideeltjes van het elektron) te vormen. Door deze verandering wordt de druk in de kern van de ster tijdelijk minder, waardoor de ster zichzelf in elkaar begint te persen en veel heter wordt.

Volgens de huidige theorieën wordt voorspeld dat als een ster een massa van tussen de 60 en 130 zonsmassa’s heeft, deze compressie en verhitting tot een explosieve kettingreactie leidt: een ‘paar-instabiliteit’-supernova. Bij zo’n supernova wordt een ster zó grondig verwoest dat de uitgebraakte restanten niet kunnen imploderen tot een zwart gat. 

Vreemd genoeg valt het grotere van de twee zwarte gaten die GW190521 veroorzaakten, “precies in het bereik waarin je paar-instabiliteit zou verwachten,” zegt Berry. Het komt er dus op neer dat het theoretisch niet mogelijk is dat zo’n ster een zwart gat creëert.

“Als je een zwart gat van tussen de 52 en 133 zonsmassa’s vindt, kan dat niet zijn voortgekomen uit de geïmplodeerde restanten van één enkele ster,” zegt Priyamvada Natarajan, een theoretisch astrofysica van de Yale University en expert op het gebied van zwarte gaten die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken. “De natuur vertelt ons nu dat er talloze manieren zijn waarop zwarte gaten dit soort massa’s kunnen bereiken.”

Vijandige overname?

In een begeleidend artikel in The Astrophysical Journal Lettersbespreekt het LIGO-Virgo-team meerdere scenario’s waarin de fusie – en de vorming van de merkwaardige zwarte gaten – had kunnen plaatsvinden. Het meest veelbelovende luidt dat tenminste één van de twee zwarte gaten, zo niet beide, is ontstaan uit een fusie van twee kleinere, ‘gewonere’ zwarte gaten. 

“Dat is mijn favoriete scenario,” zegt Steinn Sigurdsson, een astrofysicus van de Pennsylvania State University die evenmin bij de ontdekking was betrokken.

In bepaalde kosmische omstandigheden zou zo’n ‘tweetrapsfusie’ aannemelijk zijn. Een van de mogelijkheden die de kans op zo’n gebeurtenis zou vergroten, is als de fusie zou plaatsvinden binnen een accretieschijf van gas die rond het centrale en superzware zwarte gat van een sterrenstelsel cirkelt. 

Er zijn veelbelovende aanwijzingen dat GW190521 zich inderdaad in zo’n omgeving heeft voorgedaan. Afgelopen juni was Graham een van de auteurs van een onderzoek in de Physical Review Letters waarin een lichtflits wordt beschreven die in hetzelfde stukje nachthemel werd geobserveerd als waar GW190521 plaatsvond, en dat ongeveer 34 dagen nadat de zwaartekrachtsgolven door de aarde galmden. Grahams team stelt dat deze flits kan zijn ontstaan toen het gefuseerde zwarte gat dwars door een accretieschijf van gas rond een superzwaar zwart gat werd gelanceerd. Daarbij werd het gas dusdanig verhit dat het begon te gloeien.

Toch blijft er een verschil bestaan tussen het onderzoek naar de fusie en de bevindingen over de lichtflits: de afstand. In de studie van Graham wordt de lichtflits gelokaliseerd in een sterrenstelsel op een afstand van zo’n acht miljard lichtjaar van de aarde, terwijl de resultaten van de LIGO-Virgo-observatie wijzen op een fusie van zwarte gaten op een afstand van ruim zeven miljard lichtjaar. Graham geeft toe dat de mogelijkheid bestaat dat de samenvallende locaties van beide gebeurtenissen aan de nachthemel toeval is. “Als je maar genoeg gebeurtenissen observeert, dan kan het zijn dat deze zeer zeldzame zaken vanaf de aarde bezien op één lijn met elkaar liggen,” zegt hij.

Natarajan heeft een andere verklaring voor de fusie. In een studie die in 2014 in het tijdschrift Science verscheen en waarvan zij een de auteurs was, werd berekend dat in het nog jonge universum kleinere zwarte gaten zich razendsnel konden vetmesten door in dichte sterrenhopen rond te stuiteren en zich met materie te voeden. In een nog te publiceren onderzoek waarin dit idee verder wordt uitgewerkt, wordt de mogelijkheid besproken dat bepaalde typen sterrenhopen een paar van zwarte gaten van elk tussen de 50 en 75 zonsmassa’s zouden kunnen voortbrengen, die vervolgens zouden kunnen fuseren. 

“Daarom vind ik dit natuurlijk zeer spannend!” zegt Natarajan.

Afgezien van al het theoretische werk dat GW190521 ongetwijfeld heeft opgeleverd, denken wetenschappers dat de raadsels ervan pas opgelost zullen worden als LIGO en Virgo meer van dit soort botsingen waarnemen. “Met één enkele gebeurtenis kun je altijd een beroep doen op bijzondere en toevallige omstandigheden,” zegt Sigurdsson. “Maar zodra je meerdere gebeurtenissen hebt geobserveerd, kun je uit allerlei modellen heel veel informatie persen.”

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

Lees meer