Zwart gat eet neutronenster op

Astronomie Dat het kon gebeuren werd al vermoed, maar nu is het ook waargenomen: botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren.

Impressie van een botsing tussen een zwart gat en een neutronenster.
Impressie van een botsing tussen een zwart gat en een neutronenster. Illustratie Carl Knox, OzGrav – Swinburne University

Astronomen hebben voor het eerst een zwart gat waargenomen dat een neutronenster opeet. En het was meteen twee keer raak. Een team van meer dan duizend astronomen ving zwaartekrachtsgolven op van twee verschillende botsingen tussen een zwart gat en een neutronenster. Bij zo’n botsing slokt het zwarte gat de neutronenster op. Niet alleen leveren de waarnemingen bewijs voor het bestaan van die gebeurtenissen, die al langer vermoed werden. Het helpt astronomen ook begrijpen hoe botsingen tussen compacte hemellichamen ontstaan en hoe vaak ze voorkomen.

Zwarte gaten en neutronensterren zijn beide restanten van zware sterren. Alleen een ster die minimaal acht keer zo zwaar als de zon is, heeft genoeg zwaartekracht en druk om te sterven met een gigantische explosie. Zodra zo’n ster het loodje legt, stort zijn kern ineen en worden de buitenste lagen in rap tempo het heelal in geslingerd. Dat is een supernova. Van de kern van de lichtere sterren die op deze dramatische wijze sterven, blijft een compact bolletje neutronen over. Zo’n zogenoemde neutronenster heeft typisch meer massa dan de zon, maar dan in een bolletje met een straal van enkele tientallen kilometers gepropt. De kern van een zwaardere ster die als supernova sterft, treft een nog extremer lot. Die eindigt als een zwart gat. Zwarte gaten hebben zo’n hoge dichtheid dat alles wat te dichtbij komt, erin verdwijnt.

Als golven in een vijver

De detectoren LIGO (in de VS) en Virgo (in Italië) werden in 2015 wereldberoemd toen zij voor het eerst zwaartekrachtsgolven van een botsing tussen zwarte gaten waarnamen. Zulke golven ontstaan bij botsingen tussen compacte hemellichamen, rimpelingen die zich door het heelal verplaatsen als golven in een vijver nadat er een steen in is gegooid, en sterk genoeg om hier op aarde op te vangen. Inmiddels zijn er tientallen zwaartekrachtsgolven van botsingen tussen zwarte gaten waargenomen en twee van botsingen tussen neutronensterren.

Nu mag ook het laatste type botsing dat nog ontbrak, de gemengde botsing tussen een neutronenster en zwart gat, aan het lijstje worden toegevoegd. In januari vorig jaar vingen LIGO, Virgo en Kagra (in Japan) twee merkwaardige zwaartekrachtsgolven op. Uit de analyse van de golven blijkt dat de massa’s van de botsende objecten overeenkomen met die van een zwart gat en van een neutronenster. De astronomen publiceerden de resultaten deze week in Astrophysical Journal Letters.

„De waarnemingen verbazen me niets”, zegt Chris van den Broeck. Hij is natuurkundige aan het Nederlandse deeltjesinstituut Nikhef en co-auteur van het artikel. „Het zou heel gek zijn als we meerdere keren botsingen tussen zwarte gaten en tussen neutronensterren zien, maar nooit een gemengde botsing van een zwart gat en een neutronenster. Maar de enige manier om het te bestaan ervan aan te tonen, is door het waar te nemen.”

De neutronensterren die ongeveer een miljard jaar geleden (zo lang duurt het voor de golven de detectoren op aarde bereiken) op de zwarte gaten botsten, trof een spectaculair lot – zoals alles dat te dicht bij een zwart gat komt. Eerst draaiden de hemellichamen miljoenen jaren in rap tempo om elkaar heen. Tijdens die dans bewogen ze steeds dichter en sneller naar elkaar toe. Terwijl de neutronenster het zwarte gat naderde, trok de zwaartekracht van het zwarte gat harder aan het deel van de neutronenster dat zich dichter bij het zwarte gat bevond dan het deel dat er verder van afstond. De neutronenster scheurde uit elkaar. Het merendeel verdween in het zwarte gat. Een klein deel kon mogelijk nog ontsnappen.

De twee zwaartekrachtgolven lieten zich niet makkelijk vinden

Christiaan Brinkerink sterrenkundige

Christiaan Brinkerink, sterrenkundige aan de Radboud Universiteit en niet betrokken bij dit onderzoek, is enthousiast. „De twee zwaartekrachtgolven lieten zich niet makkelijk vinden: ze zijn heel zwak en komen van tientallen sterrenstelsels van ons vandaan.”

Belangrijk is dat de waarnemingen astronomen helpen te begrijpen hoe gemengde botsingen tussen zwarte gaten en neutronensterren ontstaan, meent Brinkerink. „We hebben computermodellen die dat simuleren en daaruit volgt ook hoe vaak ze zouden moeten voorkomen. Nu kunnen we beginnen met het vergelijken van onze modellen met de werkelijkheid.”

„En dit is nog maar het begin”, reageert Van den Broeck. „LIGO, Virgo en Kagra krijgen momenteel een technische upgrade. Ik verwacht dat we nog veel vaker botsingen tussen een neutronenster en een zwart gat gaan meemaken.”