Ver weg van de aarde, in het sterrenbeeld Jachthonden, woont een kosmisch monster dat alles op zijn pad opvreet.
Het monster is een ultrazwaar zwart gat dat circa 66 miljard keer zo veel weegt als de zon en even groot is als ons hele zonnestelsel.
Het zwarte gat bij de quasar TON 618 is het grootste tot nu toe in de recordboeken van de astronomen – maar volgens nieuw onderzoek is het een onderdeurtje vergeleken met een aantal nog niet waargenomen zwarte gaten, SLAB’s (stupendously large black holes) genaamd.
‘We definiëren SLAB’s als zwarte gaten van meer dan 100 miljard keer de zonnemassa. Ze zijn niet waargenomen in het centrum van sterrenstelsels – misschien omdat ze het sterrenstelsel eromheen hebben opgeslokt – maar ze kunnen bestaan in de intergalactische ruimte,’ aldus Bernard Carr, emeritus hoogleraar wiskunde en astronomie aan Queen Mary University of London, tegen Wetenschap in Beeld.
Als zwarte gaten van het type SLAB bestaan, kunnen ze ons misschien wat wijzer maken over het vroege heelal.
Samen met collega’s Florian Kühnel en Luca Visinelli maakte hij wiskundige berekeningen die aantonen dat het heelal zwarte gaten kan herbergen met enkele miljarden keren de massa van de zon, of de massa van alle sterren in de Melkweg.
Als zwarte gaten van het type SLAB bestaan, kunnen ze ons misschien wat wijzer maken over het vroege heelal – en over de mysterieuze donkere materie die overal in het heelal aanwezig is maar waar we nog geen verklaring voor hebben.
Verkrijgbaar in alle maten
Het raadsel van zwarte gaten fascineert astronomen al tijden.
In 1783 kwam de Britse geoloog John Michell met een theorie over objecten met zo’n sterke zwaartekracht dat zelfs licht er niet aan kon ontsnappen.
Hij noemde ze ‘donkere sterren’. Michell besefte dat sommige sterren zo hard aan hun omgeving kunnen trekken dat de ontsnappingssnelheid van de ster – de snelheid die een ruimteschip of lichtdeeltje nodig heeft om eraan te ontkomen – groter is dan de lichtsnelheid.
Zwarte gaten versmelten en vreten zich vol
Zwarte gaten kunnen groeien door gas aan te trekken, maar ook wanneer een van de twee sterren in een dubbelstersysteem een zwart gat wordt en dan de andere begint op te slokken. Twee zwarte gaten kunnen elkaar aantrekken en uiteindelijk in een reusachtige botsing belanden, waardoor ze samensmelten en één reusachtig zwart gat worden.
132 jaar later, in 1915, legde Albert Einstein de theoretische basis voor zwarte gaten met zijn algemene relativiteitstheorie, en weer ruim een eeuw later – in 2019 – presenteerde een internationaal onderzoeksteam van de Event Horizon Telescoop (EHT) een foto van een lichtgevende ring van gloeiende gassen die rond het draaiende zwarte gat in het sterrenstelsel Messier 87 wervelt.
Zwarte gaten zijn er in allerlei soorten, van piepkleine met een gewicht van drie zonnemassa’s of mogelijk nog minder, tot onvoorstelbaar grote, zwaarder dan elk ander kosmisch object dat ooit gemeten is.
Superzware zwarte gaten komen voor in het centrum van veel sterrenstelsels, zoals het zwarte gat Sagittarius A* in onze eigen Melkweg, van circa 4 miljoen zonnemassa’s. Het superzware zwarte gat in het centrum van Messier 87 is een geweldenaar met 6,5 miljard keer zo veel gewicht als de zon.
Ter vergelijking: een SLAB kan 100 miljard tot een triljoen – een miljard miljard – keer zo veel massa hebben als de zon.
‘Het meest opzienbarende aan zwarte gaten is dat ze in een enorm massabereik voorkomen – helemaal van de Planckmassa (circa 1 honderdduizendste van een gram, red.) via ingestorte sterren van 10-100 zonnemassa’s tot superzware zwarte gaten van 1 miljoen tot 1 miljard zonnemassa’s – en tot wellicht SLAB’s,’ verklaart Bernard Carr.
Terug naar het begin der tijden
Wat zwarte gaten met elkaar gemeen hebben is dat ze, als ze eenmaal gevormd zijn, in de loop van de tijd groter kunnen worden.
Het meest opzienbarende aan zwarte gaten is dat ze in een enorm massabereik voorkomen. Bernard Carr, emeritus hoogleraar wiskunde en astronomie aan Queen Mary University of London
Ze zuigen gassen en stof op alsof de omgeving een buffet is, en komen daardoor flink aan. Zo wordt de dichtheid van materie in een zwart gat oneindig groot.
Zoals Bernard Carr opmerkt, zijn SLAB’s zo groot dat ze waarschijnlijk niet in het centrum van sterrenstelsels voorkomen, want dan zouden ze alle materie om zich heen hebben opgeslokt. De enorme massa wil zeggen dat ze heel oud moeten zijn – alleen dan hebben ze de tijd gehad voor hun groei.
Daarom denken wetenschappers dat SLAB’s gevormd zijn in het heel vroege heelal, nog voordat sterrenstelsels na de oerknal vorm begonnen te krijgen. In dit stadium werd het heelal overheerst door straling.
Volgens professor Bernard Carr van Queen Mary University of London kunnen sommige extreem grote zwarte gaten gevormd zijn uit compacte materie in het vroege heelal.
‘Ze kunnen van primordiale oorsprong zijn, dat wil zeggen dat ze gevormd werden in het vroege, door straling overheerste heelal. Ze zijn mogelijk ontsproten aan primordiale zwarte gaten, aangezien die na hun vorming enorm gegroeid moeten zijn,’ zegt Bernard Carr.
Uitzending van gammastralen
Primordiale zwarte gaten ontstonden in het jonge heelal, toen zwarte gaten nog niet gevormd konden zijn door instortende sterren.
Er waren ook nog geen sterren, maar plaatselijke bewegingen kunnen de al compacte materie het zetje gegeven hebben dat nodig was om de vorming van een zwart gat op gang te brengen.
Een andere vraag is of zwarte gaten de donkere materie kunnen verklaren.
Donkere materie is de term voor circa 85 procent van de materie in het heelal die nog niet is waargenomen, maar die verschijnselen van de zwaartekracht kan verklaren die niet uit te leggen zijn op basis van alleen de zichtbare materie in de vorm van sterren en sterrenstelsels.
Daartoe behoren de bewegingen van sterren binnen sterrenstelsels en van die sterrenstelsels zelf, die astronomen niet kunnen verklaren zonder donkere materie.
Afgebogen licht en gravitatiegolven moeten SLAB’s vinden
Zware objecten in het heelal, zoals sterren, planeten en sterrenstelsels, kunnen een optisch effect veroorzaken waarbij ze als een lens werken, die licht afbuigt van objecten pal achter het stelsel.
Zware voorwerpen buigen licht af
Zware objecten in het heelal, zoals sterren, planeten en sterrenstelsels, kunnen een optisch effect veroorzaken waarbij ze als een lens werken, die licht afbuigt van objecten pal achter het stelsel.
Gravitatiegolven krullen de ruimtetijd
Gravitatiegolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd die worden uitgezonden als bijvoorbeeld twee zwarte gaten om elkaar heen draaien of botsen. Astronomen schatten de massa van zwarte gaten op basis van de fluctuaties van gravitatiegolven.
Deeltjes zenden straling uit
Elementaire deeltjes zoals wimps (weakly interacting massive particles) kunnen deel uitmaken van donkere materie. Als wimps bestaan, zenden ze gammastralen uit als ze bij de waarnemingshorizon van het zwarte gat op een antideeltje stuiten.
Donkere materie kan indirect een rol spelen bij de ontdekking van de eerste SLAB’s, als die althans bestaan.
En zo’n SLAB zou ontdekt kunnen worden door het gravitatielenseffect.
Dit wil zeggen dat een ster, stelsel of ander zwaar voorwerp in het heelal kan werken als een optische lens die het licht afbuigt.
Deze afbuiging wordt veroorzaakt door de kromming van de ruimtetijd rond een ster of zwart gat, bijvoorbeeld als gevolg van de zwaartekracht. Licht van een ster of stelsel achter het voorwerp wordt daardoor rond het voorwerp gekromd in plaats van in een rechte lijn te bewegen.
Telescopen benutten het principe al en kijken zo als het ware om sterrenstelsels heen.
Een SLAB zou ook kunnen worden waargenomen via gravitatiegolven – rimpelingen in de ruimtetijd die ontstaan als bijvoorbeeld twee zwarte gaten op het punt staan elkaar te verzwelgen. Gravitatiegolven worden al waargenomen door het instrument LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) in de VS.
Maar een onconventionelere manier om reusachtige zwarte gaten te detecteren is via wimps (weakly interacting massive particles): elementaire deeltjes die wellicht ontstaan in verband met donkere materie.
‘Ze zouden een gravitationele halo vormen rond elke SLAB, en bij hun teloorgang zouden ze een gammastraalsignaal uitzenden,’ legt Bernard Carr uit.
Sleutel tot de theorie van alles
Als een telescoop op aarde zo’n signaal zou waarnemen, blijkt daaruit dat SLAB’s bestaan en dat er een elementair deeltje is dat verband houdt met een van de grote mysteries van het heelal: donkere materie.
Zo blijven zwarte gaten de hoofdrol spelen in enkele van de grootste raadsels in de natuurkunde en kosmologie. Vanwege hun extreme aard zijn ze ook het toneel van een circa 100 jaar durende strijd om kwantummechanica en relativiteit met elkaar te verenigen.
De twee theorieën beschrijven hoe de kleinste dingen in het heelal zich gedragen, zoals fotonen en elektronen, maar ook de grootste dingen, zoals planeten, sterren en sterrenstelsels.
In een zwart gat worden beide theorieën zwaar op de proef gesteld, en daarom hopen wetenschappers dat het antwoord hier verborgen kan liggen.
‘Waarschijnlijk bevat het onderzoek naar zwarte gaten de sleutel tot de vereniging van de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica, wat de heilige graal van de natuurkunde is,’ aldus Carr.