Ster wiebelt door zwaar zwart gat

Astronomie Naast de hete ster LB-1 bevindt zich misschien een zwart gat van wel zeventig zonsmassa’s, ongekend zwaar voor de Melkweg.

Tekening van de dubbelster LB-1, ervan uitgaande dat er één zwart gat in het spel is.
Tekening van de dubbelster LB-1, ervan uitgaande dat er één zwart gat in het spel is. Beeld Jingchuan Yu

Een dubbelster op ongeveer 14.000 lichtjaar afstand lijkt te bestaan uit een jonge, hete ster en een raadselachtig object met een aanzienlijke massa. Dat heeft een team van voornamelijk Chinese astronomen, onder leiding van Jifeng Liu van het Key Laboratory of Optical Astronomy in Beijing, ontdekt. Vermoedelijk is dat object een zwart gat of een tweetal om elkaar draaiende zwarte gaten.

De ontdekking is gedaan met LAMOST, de grootste optische telescoop in China. Daarmee wordt sinds 2016 gezocht naar sterparen die op geringe afstand om elkaar heen wentelen.

Eén van de objecten die daarbij zijn opgespoord is LB-1. De waarneembare component ervan is een jonge, hete ster met achtmaal de massa van onze zon. Deze ster vertoont een schommelbeweging met een periode van bijna 79 dagen, wat aangeeft dat er een ander hemellichaam in de buurt is. Er is daar echter geen ster te bekennen.

Wel bevindt zich nabij de jonge ster een bron van zogeheten Hα-straling – dieprood licht afkomstig van waterstofgas. Ook deze Hα-bron schommelt, maar dan met een veel kleinere amplitude en in tegenfase met de ster. Waarnemingen met twee andere telescopen, de Gran Telescopio Canarias op La Palma en de Keck-telescoop op Hawaï, hebben dit bevestigd.

Melkwegcentrum

In hun zojuist in Nature verschenen onderzoeksverslag zoeken Liu en zijn collega’s naar een plausibele verklaring voor dit gedrag. Hun berekeningen laten zien dat de Hα-straling waarschijnlijk afkomstig is van materie rond een zwart gat van ongeveer zeventig zonsmassa’s. De ster en het zwarte gat zouden ruwweg net zo ver van elkaar zijn verwijderd als aarde en zon (150 miljoen kilometer).

Er zijn meer zwarte gaten opgespoord in onze Melkweg. Afgezien van het superzware zwarte gat Sagittarius A* in het Melkwegcentrum, dat met vier miljoen zonsmassa’s van een geheel andere orde is, zijn het er een stuk of twintig. Maar die zijn allemaal omringd door ziedend hete materie, onttrokken aan een nabije ster, die intense röntgenstraling uitzendt. Dat geldt echter niet voor LB-1, en voor een klein potentieel zwart gat, dat onlangs door een ander team is ontdekt.

Hoe dan ook heeft het zwarte gat in LB-1 beduidend meer massa dan zijn directe soortgenoten. Met 70 zonsmassa’s is het zelfs ruwweg twee keer zo zwaar als de botsende zwarte gaten in verre sterrenstelsels, die verantwoordelijk zijn voor de zwaartekrachtgolven die de afgelopen jaren met de speciale detectoren LIGO en Virgo zijn geregistreerd.

Er schuilt wel een addertje onder het gras. Aangenomen wordt dat zwarte gaten als deze de ingestorte kernen zijn van zeer massarijke sterren die aan het einde van hun bestaan hun buitenste lagen hebben afgestoten. Het probleem is dat stermodellen aangeven dat zelfs de zwaarste sterren van onze Melkweg geen zwarte gaten van meer dan 25 zonsmassa’s achterlaten.

Een mogelijke uitweg is dat LB-1 oorspronkelijk een drievoudig stelsel is geweest, bestaande uit een massarijke dubbelster en de nog steeds aanwezige jonge ster. Die dubbelster kan dan een overdreven zwaar zwart gat hebben achtergelaten of – nog intrigerender – twee om elkaar wentelende zwarte gaten van kleiner kaliber. In beide gevallen zijn dan overigens nog steeds twee ‘te zware’ sterren nodig.

Geschokt

Een andere optie is dat de bestaande modellen voor de vorming van zware sterren in onze Melkweg niet kloppen. Volgens professor Stephen Justham, onder andere verbonden aan het Anton Pannekoek Instituut (UvA) en co-auteur van het Nature-artikel, zou dat een revolutionaire constatering zijn.

„Alle modellen voor de samensmelting van zwarte gaten van circa 35 zonsmassa’s gaan ervan uit dat de sterren waaruit ze zijn ontstaan veel minder zware elementen bevatten dan onze zon. Dat helpt de sterren bij de vorming van zwaardere gaten”, zegt Justham. „Maar misschien bewijst het LB-1 stelsel wel dat zulke zware zwarte gaten ook kunnen ontstaan uit sterren met een zonachtige samenstelling. Fysisch is dat mogelijk. Als zou blijken dat het om één zwart gat van zeventig zonsmassa’s gaat, zou ik pas echt geschokt zijn.’

Zelf vermoedt hij dat het ‘zware donkere object’ inderdaad uit twee om elkaar draaiende zwarte gaten bestaat. „Ervan uitgaande dat onze metingen en conclusies overeind blijven, is dat verreweg de meest plausibele verklaring voor wat we zien.

Hoe het LB-1 verder zal vergaan? Volgens Justham zal de ster – binnen enkele tientallen miljoenen jaren – sterk opzwellen. Zijn buitenste lagen worden dan een prooi voor het nabije (dubbele) zwarte gat. Wat achterblijft is een neutronenster of witte dwerg. De beide zwarte gaten zullen geleidelijk naar elkaar toe spiralen en op z’n vroegst over 400 miljoen jaar samensmelten.