Het oudste zwarte gat in het heelal is te groot
13 miljard lichtjaar ver is een superzwaar zwart gat gevonden, dat niet te verklaren valt: het is te groot om te zijn gevormd op de trage manier die de klassieke theorie beschrijft. De wetenschappers moeten een nieuwe theorie bedenken die wel kan uitleggen hoe het gat zo snel zo groot is geworden.
13 miljard lichtjaar ver is een superzwaar zwart gat gevonden dat veel groter is dan het volgens de klassieke theorie van de astronomen zou kunnen zijn.
Het superzware zwarte gat J1342+0928 is het oudste en verste object dat astronomen ooit hebben gezien.
Het gat is omringd door een draaischijf van gas, en het is onverzadigbaar – het blijft maar wervelende gaswolken aanzuigen tot achter zijn waarnemingshorizon, waar zelfs het licht niet aan weet te ontsnappen.
Het gat is het hart van een zogeheten quasar: het centrum van de meest actieve en lichtsterke sterrenstelsels die er zijn.
De meeste quasars waren zo’n 4 miljard jaar na de oerknal op hun hoogtepunt, toen hun zwarte gaten de tijd hadden gehad om uit te groeien tot monstergaten.
Maar J1342+0928 was er al 690 miljoen jaar na de oerknal, en toch bevat de vroege quasar een monstergat van 800 miljoen zonnemassa’s.
De ontdekking van J1342+0928 in 2017 geeft stof tot nadenken; volgens de klassieke ontstaanstheorie van de eerste superzware zwarte gaten van het heelal had het gat in zo’n korte tijd niet zo groot kunnen worden.
Roterend gas zendt straling uit
Quasarlicht ontstaat doordat gaswolken zo hard rond het zwarte gat draaien dat meer dan een derde van de massa van het gas wordt omgezet in licht.
Tegelijkertijd creëert de roterende gasschijf extreem krachtige magnetische velden, die twee straalstromen van elektrisch geladen deeltjes door het stelsel eromheen sturen met 99 procent van de lichtsnelheid.
Samen stralen de schijf en straalstromen meer licht uit dan tientallen gewone sterrenstelsels bij elkaar.
Het licht is zo krachtig dat telescopen het kunnen opvangen, hoewel de lichtgolven miljarden jaren onderweg naar de aarde zijn geweest. Als een straalstroom naar de aarde wijst, is de quasar te zien als een schijnwerper.
De draaiende gasschijf rond het zwarte gat van de quasar creëert zeer krachtige magnetische velden, die twee straalstromen van elektrisch geladen deeltjes het heelal in slingeren.
Quasars zijn bewijs van zwarte gaten
De ontdekking van quasars wees uit dat zwarte gaten niet alleen een theoretisch verschijnsel zijn, maar echt bestaan.
In de vroege jaren 1960 namen de astronomen verschillende mysterieuze bronnen waar die radiogolven uitzonden.
Ze noemden deze quasisterren, omdat de radiogolven van die bronnen anders waren dan de straling die van gewone sterren afkomstig is.
Toen de astronoom Maarten Schmidt in 1963 een dergelijke bron bestudeerde met een radiotelescoop in Californië, zag hij dat de straling niet afkomstig was van een ster, maar van een ver, nog onbekend voorwerp dat kortegolfstraling uitzond.
De telescoop zag lange radiogolven in plaats van korte lichtgolven door dat het licht van het object er al een miljard jaar in de ruimte op had zitten en nu was uitgerekt tot radiogolven vanwege de uitdijing van het heelal.
De lichtbron die Schmidt waarnam, overstraalde 100 sterrenstelsels, maar was toch niet groter dan het zonnestelsel.
Daar was maar één mogelijke verklaring voor: de kosmische vuurtoren moest ontstaan zijn door wervelende waterstofgassen rond een superzwaar zwart gat.
De misleidende term ‘quasisterren’ werd na de waarneming van Schmidt verruild voor ‘quasars’.
Zwarte gaten zijn te groot
Nu weten astronomen dat er zich midden in alle grotere sterrenstelsels superzware zwarte gaten bevinden met een omvang van 2 miljoen tot vele miljarden zonnemassa’s.
De grootste zwarte gaten groeien niet alleen door het opslokken van gas uit de omgeving, maar ook door botsingen van sterrenstelsels waarbij superzware zwarte gaten elkaar aantrekken en versmelten.
Alle grote sterrenstelsels hebben in hun kern een superzwaar zwart gat, net als ons eigen stelsel, de Melkweg.
Maar in 2000 ontdekten astronomen een quasar die 900 miljoen jaar na de oerknal al bestond, en in 2012 nog een met een zwart gat van 2 miljard zonnemassa’s die dateert van slechts 770 miljoen jaar na het ontstaan van het heelal.
Deze ontdekkingen komen niet overeen met de klassieke theorie van de vorming van de eerste superzware zwarte gaten, maar de onderzoekers namen aan dat de quasars de uitzonderingen waren die de regel bevestigen.
Enkele jaren later dook echter de quasar op met het monstergat van 800 miljoen zonnemassa’s van slechts 690 miljoen jaar na de oerknal, en toen werd duidelijk dat hun theorie niet klopte.
Eerste sterren laten gaten achter
De astronomen dachten dat de ‘zaadjes’ waaruit vroege zwarte reuzen ontstonden, afkomstig waren van de eerste sterren, die een paar honderd miljoen jaar na de oerknal opdoken.
Deze sterren waren in vergelijking met huidige sterren enorm, en omdat ze alle brandstof in hun kern al hadden verbruikt, explodeerden ze als supernova, waarna er zwarte gaten achterbleven van soms wel 100 keer de zonnemassa.
In de klassieke theorie groeiden die kleine zwarte gaten gedurende miljarden jaren uit tot superzware zwarte gaten door gas te verzwelgen.
Maar dit kan het monstergat J1342 + 0928 niet verklaren: zelfs als een gigantisch zaadje constant gas opslokt, zal het gat slechts zo’n 800 miljoen zonnemassa’s groot worden, en dat pas een miljard jaar of langer na de oerknal.
De wetenschappers pasten daarop de theorie aan om deze kloppend te krijgen.
De gigantische sterren ontstonden in clusters en de zwarte gaten die ze creëerden lagen dicht bij elkaar; daarom is het waarschijnlijk dat sommige gaten elkaar aantrokken en versmolten tot gaten van zo’n 1000 keer de zonnemassa, die onmiddellijk begonnen te groeien door gas op te slokken.
Gaten pauzeren het inhaleren
Maar zelfs met extra grote zaadjes blijft het vrijwel onmogelijk dat er vóór 1 miljard jaar na de oerknal monstergaten als J1342+0928 ontstonden.
Alleen als het gat constant gas krijgt aangevoerd, is het net te doen, maar dat is onrealistisch.
Wanneer een zwart gat het gas van een draaiende schijf verzwelgt, zenden de wervelende gassen rondom het zwarte gat veel straling uit, waardoor de gassen verder van het gat worden geduwd.
Na enige tijd is er dus geen gas meer in de buurt. Daardoor stopt de groei van het gat gedurende perioden van enkele miljoenen jaren, totdat de enorme massa van het gat opnieuw gas in de waarnemingshorizon aantrekt en de groei dus weer kan beginnen.
De vele lange pauzes tussen de maaltijden door maken het onmogelijk voor het pas ontdekte superzware zwarte gat om 800 miljoen keer de zonnemassa op te bouwen in slechts 690 miljoen jaar op de manier die de klassieke theorie beschrijft.
Daarom proberen de onderzoekers nu op een andere wijze te verklaren hoe de gaten van de quasars zo groot zijn geworden.
Instorting legt grote kiemen
Voor het ontstaan van de eerste superzware zwarte gaten zo snel na de oerknal is er een theorie nodig waarin grotere zaadjes de basis voor de gaten vormen.
Het waarschijnlijkste model gaat ervan uit dat grote gaswolken in het prille heelal direct instortten tot zwarte gaten van circa 1 miljoen zonnemassa’s groot.
Als er zo’n 270 miljoen jaar na de oerknal zulke zware zaadjes waren, kan het vroege monstergat worden verklaard uit het feit dat het meteen gas uit de omgeving is gaan aanzuigen.
De theorie moet echter ook zien te verklaren waarom de gaswolk niet zoals gewoonlijk is afgekoeld en sterren heeft voortgebracht, maar heet bleef en instortte.
Volgens Priyamvada Natarajan van Yale University in de VS kan krachtige straling van een nabij sterrenstelsel zo’n afkoeling voorkomen.
De enorme gaswolken in het jonge heelal bestonden vooral uit waterstof, dat het beste afkoelt wanneer de atomen waterstofmoleculen vormen.
Straling van zo’n naburig stelsel kan de moleculen splitsen in atomen die de warmte beter vasthouden, waardoor het gas niet afkoelt. De hele gaswolk wordt dan instabiel en zendt zijn massa naar het midden.
Onder de zwaartekracht van al die massa in de kern trekt de wolk zich samen, waarna hij instort en een groot zaadje voortbrengt.