In 2023 ontdekten wetenschappers de zwaartekrachtgolven van een zwarte gat samensmelting die onmogelijk leek. Nieuw onderzoek verklaart eindelijk hoe dit “verboden” zwarte gat ontstond en wat het ons kan leren over deze extreme objecten.
Wetenschappers hebben de oorsprong van de zwaarste zwarte gat fusie ooit waargenomen opgespoord, waarbij werd onthuld hoe twee “onmogelijke” reuzen konden ontstaan, ondanks de langdurige veronderstellingen dat zulke objecten niet konden bestaan. Deze zwarte gaten werden als “verboden” beschouwd, omdat sterren van die grootte naar verwachting zichzelf uit elkaar zouden blazen in uiterst krachtige explosies, waardoor geen overblijfselen achterbleven die konden ineenstorten tot een zwart gat.
Het nieuwe onderzoek toont aan dat snel draaiende, gemagnetiseerde sterren op onverwachte manieren kunnen instorten, waardoor zwarte gaten ontstaan in deze verboden massa-range, en de basis legt voor het colossale fusie-evenement bekend als GW231123.
Waarom zware zwarte gat fusies belangrijk zijn
Zwarte gat botsingen zijn een van de belangrijkste hulpmiddelen geworden voor het begrijpen van het universum. “Zwarte gat fusies stellen ons in staat om het universum te observeren, niet door licht, maar door zwaartekracht — via zwaartekrachtgolven die worden geproduceerd door de vervorming van ruimte en tijd terwijl zwarte gaten samen spiraliseren en samensmelten,” zegt Ore Gottlieb, een professor aan het Center for Computational Astrophysics die het onderzoek leidde. Zwaartekrachtgolven bieden een zeldzaam inzicht in gebieden van de ruimte waar de zwaartekracht zo extreem is dat zelfs licht niet kan ontsnappen.
Van de vorm van het signaal alleen kunnen wetenschappers de massa’s en spins van de samensmeltende objecten afleiden en reconstrueren hoe ze zijn gevormd. Deze waarnemingen testen Einsteins theorie van de algemene relativiteit, vooral waar de voorspellingen het meest veeleisend zijn, omdat de kromming van ruimte-tijd rondom samensmelting van zwarte gaten de theorie tot zijn grenzen duwt.
De meest massieve zwarte gat fusie ooit waargenomen
Toen detectoren GW231123 opnamen in november 2023, beseften astronomen snel dat het zich onderscheidde. Twee enorme objecten — ongeveer 100 en 130 keer de massa van de zon — waren meer dan 2 miljard lichtjaren verwijderd samengevoegd. De verrassing was dat zwarte gaten van deze grootte vallen in wat fysici de “massa kloof” noemen, een range tussen ongeveer 70 en 140 zonnemassa’s waar geen zwarte gaten werden verwacht.
Sterren in deze range scheuren zich meestal uit elkaar door gewelddadige supernova-explosies, waarbij niets achterblijft. Toch huisde GW231123 niet één, maar twee van zulke objecten — en beide vertoonden tekenen van draaien met extreme snelheid. Het evenement omvatte “twee van de snelst draaiende zwarte gaten, wat wijst op een zeldzaam vormingskanaal van massieve en snel draaiende zwarte gaten, die verondersteld werden niet te bestaan,” aldus Gottlieb.
Het onmogelijke oplossen
Gottlieb en collega’s ontdekten dat snelle rotatie alles verandert. “We toonden aan dat als de ster snel draait, deze een accretieschijf vormt rond het pasgeboren zwarte gat,” verklaarde Gottlieb. “Sterke magnetische velden die binnen deze schijf worden gegenereerd, kunnen krachtige uitstromen aandrijven die een deel van het sterrenmateriaal uitwerpen, waardoor het wordt voorkomen dat het in het zwarte gat valt.” In plaats van de hele kern op te slokken, verliest het jonge zwarte gat toegang tot veel van het omringende materiaal naarmate magnetische krachten materiaal de ruimte in blazen.
Dit mechanisme vermindert de uiteindelijke massa van de overblijfselen, waardoor deze in de massa kloof komt — een regio die voorheen als onbereikbaar werd beschouwd. “Als gevolg hiervan kan de uiteindelijke massa van het zwarte gat aanzienlijk worden verlaagd, waardoor deze binnen de massa kloof komt, een bereik dat voorheen als ontoegankelijk werd beschouwd,” aldus Gottlieb.
Wat deze ontdekkingen betekenen voor zwaartekracht en kosmische geschiedenis
Extreme gebeurtenissen zoals GW231123 rekken de algemene relativiteit tot het breekpunt. “De enorme kromming van ruimte en tijd test de algemene relativiteit diep in zijn meest extreme sterke veld regime, waarmee we kunnen testen of Einsteins vergelijkingen nauwkeurig blijven wanneer zwaartekracht op zijn extreemst is,” merkte Gottlieb op.
Als zulke evenementen vaak voorkwamen in het vroege universum, zouden ze de groei van de eerste zwarte gaten hebben gevormd. Zulke fusies “impliceren dat massieve zwarte gaten efficiënter kunnen worden gevormd dan huidige stellair modellen voorspellen,” benadrukte Gottlieb. “Dit zou onze begrip beïnvloeden van hoe de eerste generatie sterren en zwarte gaten de supermassieve zwarte gaten hebben gezaaid die we vandaag in galaxies observeren.”
Het werk van het team wijst op een nieuw vormingspad voor massieve zwarte gaten en voorspelt specifieke patronen waar astronomen naar kunnen zoeken. “Ons werk opent een nieuw venster voor zwarte gat vorming binnen de massa kloof, en voorspelt eerste generatie zwarte gaten (zonder eerdere fusies) bij alle massa’s,” aldus Gottlieb. Toekomstige zwaartekrachtgolfdetecties zullen testen of de massa-spin correlatie die in de simulaties werd gevonden, geldig is voor vele evenementen.
“Terwijl we meer massieve zwarte gatenbinaire detecteren, zullen we in staat zijn om de voorspelde correlatie op deze populatie te testen,” voegde Gottlieb toe. Deze ontdekkingen kunnen onthullen of GW231123 een kosmische zeldzaamheid is of het eerste duidelijke teken van een verborgen populatie van massieve, snel draaiende zwarte gaten.
