Middelzwaar zwart gat ontstaat uit botsing jonge sterren

Via simulaties op 's werelds snelste supercomputer heeft een team astronomen een mechanisme gevonden dat tot de vorming van middelzware zwarte gaten kan leiden (Nature, 15 april). Eerste auteur van het artikel is Simon Portegies Zwart van de Universiteit van Amsterdam. Eerder wezen waarnemingen van optische en röntgentelescopen al op het mogelijke bestaan van dergelijke zwarte gaten.

Zwarte gaten zijn er in meerdere formaten. Opgebrande sterren kunnen hun leven eindigen in een supernova. Die gaat gepaard met een ineenstortende kern, met als resultaat een zwart gat van 2 à 10 zonsmassa's. Daarnaast houdt zich in het centrum van ieder sterrenstelsel een superzwaar zwart gat op, miljoenen tot miljarden zonsmassa's groot en de `motor' achter quasars (de helderste objecten in het heelal).

Sinds kort zijn er aanwijzingen voor het bestaan van een derde categorie: middelzware zwarte gaten van enkele duizenden zonsmassa's. Zo heeft de Amerikaanse röntgensatelliet Chandra in jonge sterclusters, zoals M82 (op 11 miljoen lichtjaar van de aarde), compacte röntgenbronnen waargenomen die het bestaan van middelzware zwarte gaten doen vermoeden. Maar een vermoeden is geen onomstotelijk bewijs. Ook was er het probleem dat geen mechanisme bekend was om het middelzware zwarte te produceren.

Zo'n mechanisme is nu door Portegies Zwart en Amerikaanse en Japanse collega's voorgesteld op basis van computersimulaties. Het team werkte met de GRAPE-6 in Tokio, 's wereld snelste supercomputer. Startpunt vormde de Chandra-opname van de heldere röntgenbron in M82, alsmede optische opnamen met de Hubble, Keck en Subaru-telescoop. Het gaat om een cluster van jonge sterren, waarin de sterren relatief dicht opeengepakt zitten. Het team van Portegies Zwart analyseerde het gedrag van zo'n sterhoop met twee simulatieprogramma's: Starlab en NBODY4. Beide gaven min of meer dezelfde uitkomsten.

De programma's berekenden de baanbeweging en de astrofysische levensloop van 600.000 individuele sterren. De uitkomst was een sterrenhoop met eigenschappen die door Chandra en de optische telescopen inderdaad zijn waargenomen, en met in het centrum een zwart gat van 800 tot 3000 zonsmassa's. Het zwarte gat kon ontstaan als gevolg van een reeks opeenvolgende botsingen tussen sterren. Door samensmelting ontstaat een centrale ster van enorme omvang die onherroepelijk ineenstort tot een zwart gat. Zo'n kettingbotsing, die in `maar' vier miljoen jaar zijn beslag krijgt, lukt alleen als de `bevolkingsdichtheid' aan sterren een minimale waarde overschrijdt. Die ligt een factor een miljoen hoger dan de sterdichtheid in de omgeving van onze zon.

De noodzakelijke jonge sterclusters (door hun hoge bevolkingsdichtheid) zijn door Portegies Zwart YoDeC's gedoopt: young dense cluster. De intense straling uit het centrum wordt opgewekt door gas en stof (en wellicht complete sterren) dat in het zwarte gat valt en al spiraliserend op weg daar naartoe tot zeer hoge temperaturen opwarmt.