Miljarden jaren draaien, tot de klap

Sterrenkunde Van een dubbelster werden beide sterren zwarte gaten. Tien miljard jaar draaiden de gaten 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. Wetenschappers uit Polen en de VS hebben, met behulp van computermodellen, nu hun doopceel gelicht. Het zijn zwarte gaten die ontstaan zijn uit een dubbelster en voor de klap tien miljard jaar lang om elkaar hebben gedraaid.

De resultaten zijn woensdag in Nature gepubliceerd. De astronomen verwachten dat als de huidige zwaartekrachtdetectors zijn geoptimaliseerd, zo’n 1.000 keer per jaar zwaartekrachtgolven van botsende zwarte gaten zullen worden gedetecteerd

De nu nader onderzochte, in september gedetecteerde botsing was de eerste die ooit gedetecteerd werd. Vorige week werd een tweede detectie bekendgemaakt.

Kolossale dubbelster

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. Een team onder leiding van de Poolse astronoom Krzysztof Belczynski heeft een nauwkeurig rekenmodel ontwikkeld waarmee stapje voor stapje is doorgerekend aan de zware dubbelsterren sinds het ontstaan van het heelal.

chrisbelczynski.com

De Poolse astronoom Chris Belczynski rekent niet alleen aan zwarte gaten, hij is ook een actief buitensporter zo blijkt uit zijn website chrisbelczynski.com. chrisbelczynski.com.

Als ook de andere ster opzwelt, overspoelt zijn atmosfeer het zwarte gat

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

Nucleaire brandstof

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.

Tekst gaat verder onder graphic.

Nature /

Schema van de geschiedenis van de zwartegatenbotsing. Het midden, b, is spectaculair: de atmosfeer van de ene ster omhult het zwarte gat. Nature /

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.

    • Eddy Echternach