Onderzoekers vinden ‘missing link’ van zwarte gaten
In het hart van grote sterrenstelsels bevindt zich een superzwaar zwart gat met miljoenen keren de zonnemassa. Hoe het kon ontstaan, was tot dusver een mysterie, maar nu is het ontbrekende stukje van de puzzel gevonden.
Lang geleden, in een heel ver dwergsterrenstelsel, ontvouwt zich een drama van kosmische proporties. Een ster komt te dicht bij een loerend zwart gat en wordt erheen gezogen door de extreme zwaartekracht ervan.
De ster kan niet weg. In een spiraal wordt hij steeds dichterbij getrokken, tot hij uiteindelijk uit elkaar wordt gerukt.
Het zwarte gat slokt een groot deel van de ster op en slingert de rest weg in een gigantische boog van roodgloeiend materiaal dat al het andere licht van de sterren van het dwergstelsel overtreft.
850 miljoen jaar later, in juni 2020, richten astronomen op aarde toevallig hun telescopen op het dwergstelsel. Het team zoekt supernova’s, exploderende sterren, maar ziet ineens de flits van de doodsstrijd van de ster.
Na ruim twee jaar analyseren twijfelen de onderzoekers niet aan de oorzaak.
Een ster is opgeslokt door een zwart gat – van een type waarvan onderzoekers maar zelden een spoor hebben gezien.
Berekeningen laten zien dat het gat 100.000 tot 1 miljoen keer zo veel als de zon weegt, waarmee het in de klasse van middelgrote zwarte gaten valt.
Naar die gewichtsklasse wordt al lang gezocht, want die kan een groot raadsel van de astronomie oplossen: hoe zijn de zwaarste zwarte gaten in het hart van stelsels zo groot geworden? Het antwoord daarop is cruciaal om te begrijpen hoe óns sterrenstelsel, de Melkweg, is ontstaan.
Zwarte gaten zijn onzichtbaar
Zwarte gaten zijn een van de vreemdste verschijnselen in het heelal. Ze ontstaan als een grote massa in een klein gebied wordt geperst en de zwaartekracht dus oneindig sterk wordt. Alles wat in een zwart gat wordt gezogen, wordt voorgoed onzichtbaar, want zelfs licht kan niet aan de zwaartekracht ervan ontsnappen.
Het betekent ook dat zwarte gaten niet te zien zijn. Ze geven zichzelf alleen prijs door de wijze waarop hun zwaartekracht hun omgeving beïnvloedt.
Zwarte gaten vallen in drie klassen, waarvan de lichtste de gaten omvat met een massa zo groot als die van sterren. Tot de zwaarste categorie behoren de superzware zwarte gaten, die miljoenen keren zo veel kunnen wegen.
Zwarte gaten zijn er in drie gewichtsklassen
Lichtgewicht: Ontstaat door exploderende sterren
Zwarte gaten in de lichtste klasse ontstaan wanneer sterren van ten minste driemaal de zonnemassa opbranden, exploderen en instorten. Zwarte gaten in deze klasse wegen veelal drie tot tien zonnemassa’s, maar de klasse gaat tot 100.
Middengewicht: Verstopt zich voor de astronomen
Zwarte gaten tussen 100 en 1 miljoen zonnemassa’s zijn tot nu toe heel moeilijk te vinden. Als er veel van zijn, zou dat een teken kunnen zijn dat ze een tussenstap vormen tussen de lichtste klasse en de zwaarste.
Zwaargewicht: Heerser in het hart van sterrenstelsels
Zogeheten superzware zwarte gaten bevinden zich in het hart van grote sterrenstelsels, zoals de Melkweg. Deze zwaargewichten kunnen 1 miljoen tot miljarden zonnemassa’s wegen. Astrofysici weten niet zeker hoe ze ontstaan.
Astronomen hebben honderden lichte en zware zwarte gaten gevonden, maar slechts een handvol middelzware, en het bewijs, in de vorm van straling, is zelfs niet helemaal zeker. De middengewichten zijn daarom bestempeld als de ‘missing link’ van de zwarte gaten.
Als er veel van gevonden worden, zijn ze mogelijk een tussenstadium tussen de lichte en superzware zwarte gaten, wat de theorie zou bevestigen dat de zwaargewichten zijn ontstaan door duizenden kleinere zwarte gaten die in de loop van miljarden jaren zijn samengesmolten.
Lichtcurve duidt op ‘missing link’
Het middelgrote gat in een dwergstelsel werd door puur toeval ontdekt. Toen een internationaal team van astronomen met twee optische telescopen in Hawaï op zoek was naar supernova’s, ving het de lichtflits op van het dwergsterrenstelsel op 850 miljoen lichtjaar afstand.
De helderheid van de flits nam heel snel toe, en in de dagen en weken daarna volgde het team het dwergstelsel met nog meer telescopen, waaronder de Hubble.
De Hubble-telescoop ving de lichtflits op toen een ster uiteengereten werd door het pas ontdekte middelgrote zwarte gat.
Na 13 dagen piekte de stralingscurve, die daarna langzaam afnam.
Dit gedrag leek niet erg op dat van een supernova, het deed meer denken aan de stralingscurve die astronomen eerder hebben gezien als een superzwaar zwart gat een ster uit elkaar trekt. Maar met één groot verschil: de curve piekte tweemaal zo snel, wat theoretische modellen voorspellen voor een middelgroot zwart gat.
Een deel van de ster werd uit het zwarte gat geslingerd en zond een lichtflits uit die na 13 dagen piekte (grafiek). En de ster werd inderdaad opgeslokt door een middelgroot zwart gat.
Op basis van de stralingscurve en de modellen schatte het team de massa van het zwarte gat op tussen de 100.000 en 1 miljoen zonnemassa’s. Dit is de eerste keer dat onderzoekers de snelheid van het stralingsverval hebben gebruikt om de massa van een zwart gat te berekenen.
Dat het middelgrote zwarte gat zich in een dwergstelsel bevond, maakt het nog interessanter, want dit steunt de theorie dat superzware zwarte gaten ontstaan door de fusie van meerdere dwergstelsels.
13 dagen duurde het voordat het licht van het sterrenstelsel piekte. Dit geeft aan dat het zwarte gat middelgroot is.
Als elk dwergstelsel een middelgroot zwart gat heeft ingebracht, hebben gaten elkaar kunnen opslokken en een groter gat kunnen vormen. Het resultaat is dan wat we nu zien: superzware zwarte gaten in het hart van grote sterrenstelsels.
Hiertegenover staat een theorie die zegt dat grote stelsels en de superzware zwarte gaten middenin in één keer zijn ontstaan uit een reusachtige gaswolk.
Twee theorieën verklaren superzware zwarte gaten
THEORIE 1: Alle zwarte gaten worden klein geboren
In de begintijd van het heelal stortten uitgebrande sterren in tot dwergstelsels, waarbij kleine zwarte gaten ontstonden die versmolten tot middenklassers. Toen de stelsels met elkaar groeiden, fuseerden ook de zwarte gaten.
- Plus: We weten dat kleine zwarte gaten kunnen versmelten. Dit werd in 2015 voor het eerst gedocumenteerd door het meten van gravitatiegolven die door het heelal rollen als grote massa’s in beweging zijn.
- Min: Middelgrote zwarte gaten die fuseren, zijn nog nooit waargenomen.
THEORIE 2: Zwaargewichten zijn altijd groot geweest
De grote sterrenstelsels zijn gevormd door reusachtige gaswolken in het vroege heelal. In elke wolk heeft de materie aan de rand zich samengepakt tot sterren, terwijl het midden van de wolk is ingestort tot een superzwaar zwart gat.
- Plus: Uit waarnemingen blijkt dat superzware zwarte gaten 10-12 miljard jaar geleden bestonden. Het heelal is slechts 13,8 miljard jaar oud, dus de eerste zwarte gaten moeten in een snel proces zijn ontstaan.
- Min: Volgens computersimulaties kan een gaswolk instorten tot een zwart gat, maar bewijs is nooit gevonden.
De theorieën over de oorsprong van superzware zwarte gaten houden daarom verband met de ontwikkeling van grote sterrenstelsels als onze eigen Melkweg.
Om de kwestie te beslechten, moeten astronomen meer te weten komen over middelgrote zwarte gaten, en de nieuwe ontdekking heeft hen daarvoor betere instrumenten gegeven.
De onderzoekers weten nu hoe ze in dwergstelsels moeten kijken én waar ze naar moeten zoeken: lichtflitsen met een verloop dat kenmerkend is voor de fatale ontmoeting van een ster met een middelgroot zwart gat.
Chili heeft in 2024 een telescoop met de naam Vera C. Rubin klaar voor dit doel. Met een diameter van 8,4 meter is de spiegel heel geschikt om het licht van zwakke dwergstelsels te bestuderen.
De nieuwe supertelescoop Vera C. Rubin in Chili zal lichtflitsen van duizenden sterren kunnen opvangen terwijl ze worden opgeslokt door middelgrote zwarte gaten in verre dwergstelsels.
De Rubin-telescoop zal een groter deel van de hemel in de gaten kunnen houden en dieper de ruimte in kunnen kijken. De astronomen denken dat hij in tien jaar 80.000 lichtflitsen zal vinden van sterren die door zwarte gaten zijn opgeslokt.
Als veel daarvan middenklassers zijn, zal dit ons helpen begrijpen hoe zwarte gaten groeien en hoe onze thuisbasis in het heelal, de Melkweg, is ontstaan.