Zwart gat smelt samen met ‘onmogelijk object’

Astronomie Ongeveer 800 miljoen jaar geleden heeft een botsing plaatsgevonden tussen een zwart gat een object dat astrofysisch als ‘verboden’ gold.

Links het zwarte gat van 23 keer de massa van de zon; rechts boven de witte streep het formaat van een neutronenster, onder de witte streep het formaat van een extreem klein zwart gat. Daar omheen zien we de gekromde strepen die duiden op de vervorming van de ruimtetijd door de massa’s.
Links het zwarte gat van 23 keer de massa van de zon; rechts boven de witte streep het formaat van een neutronenster, onder de witte streep het formaat van een extreem klein zwart gat. Daar omheen zien we de gekromde strepen die duiden op de vervorming van de ruimtetijd door de massa’s. Beeld The Astrophysical Journal Letter

Het is een botsing die eigenlijk niet kan. Een sterke zwaartekrachtgolf uit het verre heelal lijkt te zijn veroorzaakt door het samensmelten van een zwart gat en een object dat astrofysisch onmogelijk leek. Dit object, van 2,6 keer de massa van de zon, is te licht voor een zwart gat en te zwaar voor een zogeheten neutronenster. Een groep samenwerkende onderzoekers van de Advanced Virgo-detector in Italië en de Advanced LIGO-detectoren in de VS beschrijven deze ontdekking dinsdag in The Astrophysical Journal Letter.

De zwaartekrachtgolf ontstond ongeveer 800 miljoen jaar geleden toen een zwart gat van 23 keer de massa van de zon fuseerde met het onbekende object van 2,6 zonsmassa tot een nieuwe zwart gat van 25 zonsmassa. De golf kwam op 14 augustus 2019 aan op aarde en werd gemeten door de twee LIGO-detectoren en de Virgo-detector. Deze extreem gevoelige instrumenten meten minieme rimpelingen in de ruimtetijd die ontstaan als twee zware objecten met elkaar in botsing komen en samensmelten.

Het bestaan van zwaartekrachtgolven voorspelde Einstein in 1915. Begin 2016 maten de LIGO-detectoren ze voor het eerst. Sindsdien zijn er tientallen zwaartekrachtgolven, veroorzaakt door samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren, geobserveerd.

Neutronensterren en zwarte gaten zijn beide compacte overblijfselen van massieve sterren die aan het het einde van hun leven exploderen, waarbij ze een deel van hun massa het heelal inblazen en de kern ineenstort. De lichtere sterren uit dit segment eindigen als een compacte neutronenster van slechts twintig kilometer groot. De zwaarste storten ineen tot een oneindig klein en compact zwart gat.

Verboden

Tot nu toe vallen bijna alle observaties van compacte objecten in die twee categorieën: zwarte gaten van meer dan vijf zonsmassa en neutronensterren van minder dan 2,5 zonsmassa. Het massagebied van 2,5 tot vijf zonsmassa lijkt leeg en wordt daarom de ‘massakloof’ (mass gap) genoemd. Compacte objecten van die massa lijken ‘verboden’ in de natuur.

Dit stelt astronomen voor een raadsel; zijn er astrofysische processen waardoor deze compacte objecten zelden tot nooit ontstaan? Of zijn ze er wel, maar is onze techniek op aarde niet nauwkeurig genoeg om ze te meten? Mogelijk zijn de Virgo- en LIGO-detectoren pas net goed genoeg en gaan er binnenkort meer observaties binnendruppelen.

„In de astronomie is de waarneming van één raar ding meestal de voorbode van een hele populatie ervan”, vertelt Chris Van Den Broeck, hoogleraar bij Universiteit Utrecht en betrokken bij de LIGO-Virgo-collaboratie. „Dit is de eerste observatie waarvan we zeker zijn dat we een object zien met een massa in de massakloof. Maar wat het is, weten we niet.”

Donkeremateriesterren

„Dat maakt dit object ontzettend interessant”, mailt astrofysicus Samaya Nissanke van de Universiteit van Amsterdam, die niet betrokken was bij het onderzoek. Het kan een onwaarschijnlijk zware neutronenster zijn of een absurd licht zwart gat. „Dat zou een raadselachtige en interessante toevoeging zijn aan de dierentuin van bekende compacte objecten. Of je kunt de doos van Pandora openen en kijken naar de mogelijkheid dat het een exotisch, nieuw compact object is. Dan wordt de natuurkunde echt spannend en bijzonder.” Er zijn verschillende theoretische kandidaten voor deze exotische objecten, bijvoorbeeld niet eerder waargenomen bosonensterren of donkeremateriesterren, die uit hypothetische donkeremateriedeeltjes bestaan.

Met vervolgmetingen van de zwaartekrachtgolfdetectoren, gecombineerd met telescoopobservaties hopen de onderzoekers te gaan achterhalen wat deze ‘verboden’ objecten precies zijn.