Miljarden jaren draaien, tot de klap

Eerst was er een dubbelster waarvan beide sterren zwarte gaten werden. Die draaiden tien miljard jaar om elkaar. En dan: boem!

Tekening NASA/C. Henze

De eerste zwaartekrachtgolven ooit geregistreerd, vorig jaar september met de LIGO-detectors in de VS, worden toegeschreven aan een botsing tussen twee zwarte gaten die tientallen keren zoveel massa hadden als onze zon. Dat roept de vraag op waar deze kolossen vandaan kwamen. Wetenschappers uit Polen en de VS hebben, met behulp van computermodellen, hun doopceel gelicht. Uiteindelijk kwamen ze tot de conclusie dat de zwarte gaten ontstaan zijn uit een dubbelster en voor de klap tien miljard jaar lang om elkaar hebben gedraaid.

Op basis van hun berekeningen, waarvan de resultaten woensdag in Nature zijn gepubliceerd, komen de astronomen ook tot de verwachting dat, zodra de huidige zwaartekrachtdetectors zijn geoptimaliseerd, ongeveer duizend keer per jaar zwaartekrachtgolven van botsende zwarte gaten zullen worden gedetecteerd

De nu nader onderzochte, in september gedetecteerde botsing tussen zwarte gaten was de eerste die ooit gedetecteerd werd. Vorige week werd een tweede detectie bekend gemaakt.

Gezien hun massa’s moeten de zwarte gaten uit de detectie in september overblijfselen zijn geweest van kolossale, heldere sterren. Of beter gezegd: van paren van zulke sterren – dubbelsterren dus. Maar hoeveel massa hadden die sterren, wanneer hebben ze bestaan en hoe hebben ze zich ontwikkeld?

Om deze vragen te kunnen beantwoorden, heeft een team onder leiding van de Poolse astronoom Krzysztof Belczynski een nauwkeurig rekenmodel ontwikkeld. Met dit model is stapje voor stapje doorgerekend hoe het zware dubbelsterren sinds het ontstaan van het heelal zal zijn vergaan. Daarbij is uitgegaan van ‘geïsoleerde’ dubbelsterren, dat wil zeggen: sterparen die zich onverstoord hebben kunnen ontwikkelen.

Dit rekenwerk levert enorme aantallen dubbele zwarte gaten op, maar die kunnen lang niet allemaal zwaartekrachtgolven hebben veroorzaakt zoals die op 14 september 2015 met LIGO zijn gedetecteerd. Van elk geval dat wél aan deze laatste voorwaarde voldoet is nagegaan hoe groot de kans is dat deze de bron van de gedetecteerde zwaartekrachtgolven kan zijn geweest.

Daar rolde de meest waarschijnlijke kandidaat uit: een dubbelster die ongeveer 2 miljard jaar na de oerknal is ontstaan. De ene ster zou 40 tot 100 keer zoveel massa hebben gehad als onze zon, de andere 40 tot 80 keer.

Door dit verschil in massa ontwikkelden de sterren zich niet even snel. De zwaarste van de twee raakte het eerst door zijn nucleaire brandstof heen. Daardoor zwol hij op en verloor hij veel massa aan zijn buurman. Vervolgens stortte hij – zonder te exploderen – ineen tot een zwart gat van 35 zonsmassa’s. Toen ook de andere ster opzwol, werd dit zwarte gat ‘overspoeld’ door de atmosfeer van die ster. Dit had een afremmende werking op de baanbeweging van het zwarte gat, waardoor zijn afstand tot de ster flink afnam.

Uiteindelijk stortte ook de tweede ster ineen, wat een zwart gat van ongeveer 31 zonsmassa’s opleverde. De beide kolossen hebben vervolgens nog ruim tien miljard jaar om elkaar gewenteld, onder uitzending van (relatief zwakke) zwaartekrachtgolven. Hierbij nam hun onderlinge afstand geleidelijk verder af, wat er op het laatst toe leidde dat ze samensmolten. Alleen vlak vóór deze botsing werden zwaartekrachtgolven gegenereerd die sterk genoeg waren om – 1,2 miljard jaar later – door LIGO te worden opgepikt.

Over diverse veronderstellingen in dit scenario, zijn astronomen het nog lang niet eens. Zo is niet goed bekend hoe sterk een zwart gat wordt afgeremd terwijl het zich binnen de atmosfeer van de andere ster bevindt. Ook over de explosie-loze vorming van zwarte gaten is discussie. Daarom hebben de onderzoekers nog twee varianten van hun model doorgerekend. Ook dan ontstaat het soort dubbele zwarte gaten dat de waargenomen zwaartekrachtgolven kan genereren.

    • Eddy Echternach