Het zwarte gat is slechts 3,3 zonsmassa’s zwaar en lijkt daarmee een compleet nieuwe – en ons tot voor kort onbekende – klasse zwarte gaten te vertegenwoordigen.

Wanneer zware sterren sterven, kunnen er twee dingen gebeuren. Of ze transformeren tot een zwart gat: een gebied in de ruimte waaruit niets – zelfs geen licht – kan ontsnappen. Of ze transformeren tot een neutronenster: piepkleine sterren met een enorme dichtheid en een extreem hoge rotatiesnelheid. Tot zover lijkt het een heel overzichtelijk verhaal. Maar er is één probleem. De zwaarste neutronensterren die ons tot op heden bekend zijn, hebben een massa die rond de 2,1 zonsmassa’s ligt. Onderzoekers kunnen dat wel verklaren; zodra een neutronenster zwaarder is dan 2,5 zonsmassa’s is deze gedoemd om ineen te storten tot een zwart gat. Afgaand op dat verhaal zou je verwachten dat er zwarte gaten van 2,5 zonsmassa’s te vinden zijn in het universum. Maar nu komt het: die kunnen onderzoekers niet vinden. Sterker nog: de lichtste zwarte gaten die ons tot voor kort bekend waren, zijn allemaal rond de vijf zonsmassa’s zwaar.

3,3 zonsmassa’s
Een nieuw onderzoek brengt daar nu echter verandering in. In het blad Science schrijven onderzoekers dat ze een piepklein zwart gat op het spoor zijn gekomen dat qua massa precies tussen de ons tot voor kort bekende zwaarste neutronensterren en lichtste zwart gaten in zit. Het zwarte gat in kwestie is 3,3 zonsmassa’s zwaar. En vertegenwoordigt dus een heel nieuwe klasse zwarte gaten waarvan het bestaan afgaand op wat we weten over zwarte gaten en neutronensterren, wel vermoed werd, maar die tijdens alle grondige zoektochten naar zwarte gaten continu over het hoofd is gezien.


De zoektocht
Het roept een interessante vraag op. Namelijk: hoe is dat mogelijk? Hoe kunnen we deze relatief gezien piepkleine zwarte gaten gemist hebben? Het heeft waarschijnlijk alles te maken met de manier waarop zwarte gaten worden opgespoord. Vaak richten onderzoekers daarbij hun pijlen op zogenoemde dubbelstersystemen. Dit zijn systemen die bestaan uit twee sterren die om elkaar heen cirkelen. Wanneer één van deze sterren sterft, kan de andere gewoon rond het restant van de dode ster – die dan getransformeerd is tot een zwart gat – heen blijven cirkelen. Terwijl die ster zijn baantjes rond het zwarte gat maakt, trekt het zwarte gat materie van de ster naar zich toe en daarbij ontstaat röntgenstraling die de aanwezigheid van het (verder onzichtbare) zwarte gat verraadt. Alle zwarte gaten die tot op heden op deze manier in onze Melkweg zijn ontdekt, hebben een massa die tussen de 5 en 15 zonsmassa’s ligt.

Hier zie je een zwart gat dat materie van zijn begeleider (een ster) ‘steelt’. Het materiaal vormt een (op deze afbeelding blauwe) accretieschijf rond het zwarte gat. In het binnenste deel van deze accretieschijf wordt de materie zo sterk verhit dat er röntgenstraling vrijkomt. Afbeelding: NASA / ESA (via Wikimedia Commons).

De eerste aanwijzingen dat er ook zwarte gaten zijn die qua massa niet tussen de 5 en 15 zonsmassa’s zitten, kregen we in 2017 toen onderzoekers de zwaartekrachtsgolven van twee botsende zwarte gaten detecteerden. Het ene zwarte gat bleek 31 zonsmassa’s zwaar te zijn. Het andere 25 zonsmassa’s. “Dat was heel spectaculair,” stelt onderzoeker Todd Thompson. “Zwarte gaten van die omvang hadden we nog niet eerder gezien.” Het bewees dat er ook zwarte gaten waren die qua massa buiten de ons bekende lijntjes kleurden. En het zette Thomspon aan het denken. Als er zwarte gaten met meer dan 15 zonsmassa’s waren, waren er dan misschien ook zwarte gaten die lichter waren dan 5 zonsmassa’s? Hij besloot het uit te zoeken. En dook daartoe – samen met collega’s – in data van het APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment). Binnen dit onderzoeksproject werden de lichtspectra van zo’n 100.000 sterren in de Melkweg vastgelegd. En Thompson wist dat die spectra konden verraden of een ster rond een ander object cirkelde. Dat zou namelijk resulteren in een verandering in het spectrum. Nadat de onderzoekers de data hadden doorgekamd, bleven er 200 potentieel interessante sterren over en na vervolgonderzoek troffen de wetenschappers één rode reus aan die om iets heen leek te cirkelen. En dat ‘iets’ was veel kleiner dan de zwarte gaten die ons in onze Melkweg bekend zijn, maar groter dan de meeste bekende neutronensterren. Het object – dat helemaal geen röntgenstraling afgeeft – had namelijk een massa van zo’n 3,3 zonsmassa’s. “Het wijst erop dat het een zwart gat met een lage massa (…) of een onverwacht zware neutronenster is,” zo schrijven de onderzoekers. Het meest aannemelijke scenario is echter dat het om een zwart gat gaat. “Wat we gedaan hebben, is een nieuwe manier bedenken om naar zwarte gaten te zoeken en en passant hebben we mogelijk één van de eerste zwarte gaten uit een nieuwe klasse van zwarte gaten met een lage massa, ontdekt.”

Het is een belangrijke ontdekking die meer inzicht kan geven in de laatste dagen van zware sterren, maar ook in hun ‘leven na de dood’. En heel concreet kan het onderzoek helpen om vast te stellen waar nu precies de grens ligt tussen neutronensterren en zwarte gaten. “Als we een nieuwe populatie zwarte gaten onthullen, vertelt ons dat meer over welke sterren exploderen, en welke dat niet doen, welke zwarte gaten vormen en welke neutronensterren vormen. Het opent een heel nieuw onderzoeksgebied,” aldus Thompson.