Verklaring van de Ongeëvenaarde Fusie van Twee Massieve Zwarte Gaten

In november 2023 registreerde de LIGO-detector een gravitatiegolf (GW231123), die het resultaat blijkt te zijn van de botsing van de meest massieve zwarte gaten die ooit zijn waargenomen. Deze botsing vond plaats in een sterrenstelsel op een afstand van 7 miljard lichtjaar, waarbij de massa’s van de twee samensmeltende zwarte gaten, evenals hun rotatiesnelheid, verrassend groot bleken te zijn. De twee zwarte gaten hebben een massa van ongeveer 100 en 140 keer de massa van de zon en draaien ook snel. De vraag was hoe dit mogelijk was.

Ore Gottlieb van het Centrum voor Computationele Astrofysica aan het Flatiron Instituut en zijn team hebben dit ontdekt dankzij computersimulaties. Het blijkt dat sterke magnetische velden de verklaring vormen voor de extreme eigenschappen van GW231123. Dit onderwerp werd al besproken in juli 2025, waarin werd gesteld dat de grootste waargenomen botsing van zwarte gaten ooit de fysische theorieën in twijfel trok.

Het is bekend dat zeer massieve sterren aan het einde van hun leven exploderen als supernova’s, vooral in de vorm van de zogenaamde supernova met “dubbele instabiliteit”. Bij deze explosies blijft er letterlijk niets over van de ster, zelfs niet een zwart gat. Daarom zien astronomen een soort “massa-gat” in het massadiagram tussen 70 en 140 zonsmassa’s, een leegte die uitgesloten is voor zwarte gaten als gevolg van supernova’s met dubbele instabiliteit.

Hoe kunnen de twee zwarte gaten die GW231123 vormden zich dan in dit massa-gat bevinden? Het is mogelijk dat deze zwarte gaten producten zijn van samensmelting van zwarte gaten die oorspronkelijk lichter waren en een massa onder het “massa-gat” hadden. Maar dan zou de rotatie van de vier oorspronkelijke zwarte gaten zo chaotisch moeten zijn dat dit de rotatie van het resulterende zwarte gat vaak zou verstoren. De zwarte gaten van GW231123 zijn de snelst draaiende die door LIGO zijn waargenomen, waarbij ze de ruimte-tijd rondom hen bijna met de snelheid van het licht krommen.

De kans dat twee zwarte gaten van deze grootte en rotatie bestaan, is extreem klein, waardoor astronomen dachten dat er iets anders aan de hand moest zijn. Door middel van simulaties ontdekte Gottlieb en zijn team wat er waarschijnlijk gebeurd moet zijn. Ze simuleerden eerst een gigantische ster met 250 keer de massa van de zon tijdens een cruciale levensfase, van het moment dat ze begint met het verbranden van waterstof tot het punt waarop ze uitgeput raakt en in een supernova implodeert. Terwijl zo’n massieve ster het stadium van supernova bereikt, heeft zij genoeg brandstof verbruikt om samen te trekken tot slechts 150 keer de massa van de zon, net boven het “massa-gat” en groot genoeg om een zwart gat achter te laten.

Een tweede reeks simulaties, waarbij de magnetische velden in rekening worden gebracht, onderzocht de gevolgen van de supernova. Het model begint met de overblijfselen van de supernova: een wolk van resterend sterrenmateriaal, vermengd met magnetische velden en een zwart gat in het centrum. Deze 3D-visualisaties van een collapsar met directe horizon en in eerste instantie een zwak magnetisch veld illustreren de evolutie van het systeem. Aan het begin van de ineenstorting snijden de winden van de accretieschijf veel van de steromhulsel vrij, waardoor de massa die beschikbaar is voor accretie op het zwarte gat afneemt.

Uiteindelijk ontsnapt er een eenzijdige straal vanuit het gebied net buiten het zwarte gat, waardoor het zwarte gat draait en het resterende sterrenmateriaal afgevoerd wordt. Voorheen dachten astronomen dat de gehele massa van de wolk in het pas geboren zwarte gat zou vallen, waardoor de uiteindelijke massa gelijk zou zijn aan die van de massieve ster. Maar de simulaties tonen aan dat dit anders is. Nadat een niet-draaiende ster in een zwart gat implodeert, valt de wolk van resterende materie – voornamelijk de buitenste lagen van de ster – snel naar binnen.

Als de oorspronkelijke ster echter snel draaide, vormt deze wolk een draaiende schijf, die het zwarte gat steeds sneller laat draaien terwijl het materiaal naar de afgrond valt. Als er magnetische velden aanwezig zijn, oefenen deze druk uit op de schijf van puin. Deze druk is voldoende sterk om een deel van het materiaal uit het zwarte gat te stoten met bijna de snelheid van het licht. Deze uitbarstingen verminderen uiteindelijk het grootste deel van het materiaal in de schijf, dat daarna in het zwarte gat vloeit.

Hoe sterker de magnetische velden, hoe groter dit effect. In extreme gevallen, met zeer sterke magnetische velden, kan tot de helft van de originele massa van de ster door uitbarstingen uit de schijf van het zwarte gat worden weggevoerd. In het geval van de simulaties hebben de magnetische velden uiteindelijk een uiteindelijke zwart gat gecreëerd in het massa-gat. De simulaties tonen een verband aan tussen de massa van het zwarte gat en de rotatiesnelheid. Sterke magnetische velden kunnen het zwarte gat vertragen en een deel van diens massieve sterrenmassa wegdragen, waardoor lichtere, langzamer draaiende zwarte gaten ontstaan. Zwakkere velden staan daarentegen de vorming van zwaardere, sneller draaiende zwarte gaten toe. Dit suggereert dat zwarte gaten een patroon kunnen volgen dat hun massa en rotatie verbindt.