Voorstelling van een binair sterrenstelsel met een blauwe reuzenster en een zwart gat dat materie van de reuzenster wegzuigt.

Astronomen hebben mogelijk geheel nieuwe categorie van zwarte gaten ontdekt

Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuwe manier gevonden om te zoeken naar zwarte gaten, en mogelijk hebben ze daarmee een geheel nieuwe, tot nu toe onbekende categorie van zwarte gaten ontdekt. Het gaat om zwarte gaten die groter zijn dan de grootste neutronensterren en kleiner dan de kleinste zwarte gaten die we tot nu kenden.

Zwarte gaten spelen een belangrijke rol in hoe astrofysici het universum trachten te begrijpen, zo belangrijk zelfs dat onderzoekers bezig zijn een telling uit te voeren van al de zwarte gaten in ons sterrenstelsel, de Melkweg. 

Nieuw onderzoek toont echter aan dat hun zoektocht een volledige categorie van zwarte gaten over het hoofd gezien kan hebben, een categorie waarvan ze het bestaan zelfs niet kenden. 

"We geven een aanwijzing dat er daar buiten een andere populatie is, die we nog moeten beginnen te onderzoeken in onze zoektocht naar zwarte gaten", zei Todd Thompson, een professor astronomie aan de Ohio State University en de belangrijkste auteur van de studie. 

"Mensen proberen explosies van supernova's te begrijpen, hoe superzware sterren ontploffen, hoe de elementen gevormd werden in superzware sterren. Dus als we een nieuwe populatie van zwarte gaten kunnen blootleggen, zou ons dat meer vertellen over welke sterren ontploffen en welke niet, welke sterren zwarte gaten vormen en welke sterren neutronensterren vormen. Het legt een nieuw studiegebied open", zo zei hij. 

Voorstelling van een zwart gat. Het zwarte gat is zelf niet zichtbaar, wel is de accretieschijf te zien, een schijf van materie die verhit wordt en straling uitzendt.

LIGO ziet grotere zwarte gaten, waar blijven de kleintjes?

Stel je voor dat er in een stad een volkstelling wordt gehouden, waarbij enkel mensen die groter zijn dan anderhalve meter geteld worden - en stel je voor dat de tellers zelfs niet weten dat er mensen bestaan die kleiner zijn dan anderhalve meter. De gegevens van die telling zouden onvolledig zijn, en een fout beeld geven van de bevolking. Nochtans is dat in essentie wat er aan de hand was bij de zoektocht naar zwarte gaten, zei Thompson. 

Astronomen zijn al lang op zoek naar zwarte gaten, die zo'n hevige zwaartekracht hebben dat niets - geen materie, geen licht of andere straling - er aan kan ontsnappen. Zwarte gaten worden gevormd als bepaalde sterren sterven, in elkaar krimpen en ontploffen. Astronomen zoeken ook al lang naar neutronensterren, kleine sterren met een enorme dichtheid die ontstaan als bepaalde sterren sterven en in elkaar storten, maar niet exploderen. 

Zowel zwarte gaten als neutronensterren kunnen interessante informatie verschaffen over de chemische elementen op aarde, en over hoe sterren leven en sterven. Maar om die informatie te vinden, moeten de astronomen eerst weten waar de zwarte gaten zich bevinden. En om er achter te komen waar de zwarte gaten zitten, moeten ze weten waar ze naar op zoek zijn. 

Een aanwijzing is het feit dat zwarte gaten vaak zitten in iets wat een binair systeem genoemd wordt, een binair sterrenstelsel. Dat betekent gewoonweg dat twee sterren dicht genoeg bij elkaar staan om door de zwaartekracht met elkaar verbonden te geraken in een wederzijdse baan rond elkaar. Als een van de sterren sterft, kan de andere overblijven, en nog steeds rond de plaats draaien waar de dode ster eens stond en waar zich nu een zwart gat of een neutronenster gevormd heeft. 

Jarenlang hadden al de zwarte gaten - voor alle duidelijkheid, het gaat hier enkel om stellaire zwarte gaten, niet om middelzware of superzware zwarte gaten - die de astronomen kenden een massa tussen zo'n 5 tot 15 keer de massa van de zon. De neutronensterren waarvan men weet had, waren doorgaans niet zwaarder dan 2,1 keer de massa van de zon - als ze meer dan 2,5 keer de massa van de zon zouden hebben, zouden ze overigens ineenstorten tot een zwart gat. 

In de zomer van 2017 kwam daar verandering in: het observatorium voor zwaartekrachtgolven LIGO zag hoe twee zwarte gaten samensmolten in een sterrenstelsel zo'n 1,8 miljoen lichtjaar van ons verwijderd. Eén van deze zwarte gaten had een massa van zo'n 31 keer de zonnemassa, het andere was zo'n 25 keer zwaarder. 

"Onmiddellijk deed iedereen 'wow' omdat het zo'n spectaculair geval was", zei Thompson. "Niet alleen omdat het bewees dat LIGO werkte, maar omdat de massa's enorm waren. Zwarte gaten met die grootte zijn heel wat - we hadden ze nog nooit eerder gezien."

Thompson en andere astrofysici dachten al lang dat er zwarte gaten bestonden die buiten het bekende interval vielen, en de observatie van LIGO toonde aan dat zwarte gaten inderdaad groter konden zijn. Maar er bleef nog het gat in grootte tussen de grootste neutronensterren en de kleinste zwarte gaten, tussen 2,1 en 5 keer de massa van de zon. Thompson besloot een poging te doen om dat nauwgezet te onderzoeken.  

Voorstelling van de zwaartekrachtgolven bij de samensmelting van twee zwarte gaten.

Een rode reus in een baan rond iets...

Thompson en andere onderzoekers begonnen de gegevens te doorzoeken van APOGEE, het Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment, dat lichtspectra verzameld had van zo'n 100.000 sterren doorheen de Melkweg. 

Die spectra, zo besefte Thompson, konden tonen of een ster in een baan zat rond een ander object: veranderingen in het spectrum - een verschuiving naar blauwere golflengten bijvoorbeeld, gevolgd door een verschuiving naar rodere golflengten - konden aantonen dat een ster in een baan zat rond een onzichtbare metgezel. 

Thompson begon de gegevens uit te kammen, op zoek naar sterren die deze verandering vertoonden, wat er op zou kunnen wijzen dat ze rond een zwart gat draaiden. 

Vervolgens bracht hij wat hij gevonden had in de APOGEE-gegevens terug tot de 200 sterren die er het interessantst uitzagen. Hij gaf die gegevens aan een afgestudeerde onderzoeker aan Ohio State, Tharindu Jayasinghe, die duizenden afbeeldingen verzamelde van ieder van de 200 potentiële binaire systemen uit ASAS-SN, de All-Sky Automated Survey for Supernovae. 

Uit hun onderzoek kwam een rode reus tevoorschijn die in baan om iets leek te zitten. Maar dat iets was volgens hun berekeningen waarschijnlijk veel kleiner dan de bekende zwarte gaten in de Melkweg, maar veel groter dan de meeste neutronensterren die we kennen. 

De onderzoekers voerden nog meer berekeningen uit en bekeken nog meer gegevens van de Tillinghast Reflector Echelle Spectrograph en de Gaia-satelliet, en kwamen tot de vaststelling dat ze een zwart gat met een kleine massa - low mass black hole - hadden gevonden, met een massa van zo'n 3,3 keer die van de zon. 

"Wat we hier gedaan hebben is naar voren komen met een nieuwe manier om naar zwarte gaten te zoeken, maar we hebben mogelijk ook een van de eerste exemplaren geïdentificeerd van een nieuwe klasse van lage-massa zwarte gaten, waarover astronomen tot nu niets wisten", zei Thompson. "De massa's van dingen kunnen ons van alles vertellen over hun ontstaan en hun evolutie, en over hun aard."

De studie van Thompson en zijn Amerikaanse, Spaanse, Zweedse en Deense collega's is verschenen in Science. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van Ohio State University.