Een grote primeur! Het is voor het eerst dat er een botsing tussen de twee meest extreme en raadselachtige objecten in het heelal is gespot.

Met behulp van het LIGO-observatorium en zwaartekrachtsdetector Virgo jagen wetenschappers al een tijdje op zogenaamde zwaartekrachtsgolven. En met succes. Al eerder vingen ze zwaartekrachtsgolven op van een botsing tussen twee zwarte gaten en van een botsing tussen twee neutronensterren. Nu kan er nog een bijzondere botsing aan het rijtje toegevoegd worden. Want onderzoekers hebben nu ook zwaartekrachtsgolven van een botsend zwart gat én een neutronenster opgepikt.

Zwaartekrachtsgolven: hoe zit het ook alweer?
Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd die ontstaan wanneer twee zware objecten zeer dicht om elkaar heen draaien of fuseren. Einstein voorspelde het bestaan van zwaartekrachtsgolven al aan het begin van de twintigste eeuw. Maar pas in 2015 slaagden onderzoekers erin om ze daadwerkelijk te detecteren. In dat jaar werden zwaartekrachtsgolven gedetecteerd die het resultaat waren van twee samensmeltende zwarte gaten. In de loop van 2016 en 2017 wordt nog enkele malen een verstoring in het zwaartekrachtsveld gedetecteerd die het gevolg is van fuserende zwarte gaten. Eind oktober 2017 spotten onderzoekers echter zwaartekrachtsgolven die ontstaan zijn door het fuseren van twee neutronensterren. Omdat deze sterren – in tegenstelling tot zwarte gaten – licht afgeven, konden onderzoekers de bron van de zwaartekrachtsgolven voor het eerst exact lokaliseren en in detail met telescopen observeren.

Zwarte gaten en neutronensterren zijn twee van de meest extreme objecten die ooit in het heelal zijn waargenomen. Hoe ze ontstaan? Als de zwaarste sterren sterven, storten ze onder hun eigen zwaartekracht in elkaar en laten zwarte gaten achter. Wanneer sterren die iets minder zwaar zijn ter ziele gaan, exploderen ze in een supernova. Wat achterblijft zijn de dichte en dode resten van sterren die neutronensterren worden genoemd. Typische neutronensterren hebben een massa van anderhalf keer de massa van de zon, maar al die massa zit in een extreem dichte ster. Een theelepel neutronenster weegt ongeveer net zoveel als de hele mensheid!

Eerste waarneming
Nu hebben onderzoekers voor het eerst een botsing tussen deze twee bizarre objecten waargenomen. Sterker nog, ze vingen tweemaal de daaruit voortvloeiende zwaartekrachtsgolven op. De eerste waarneming van een fusie tussen een neutronenster en zwart gat vond op 5 januari 2020 plaats. Wanneer massa’s in de ruimte botsen, schudden ze het hele universum door elkaar en zenden zwaartekrachtsgolven uit, vergelijkbaar met rimpelingen op het oppervlak van een vijver. Een gedetailleerde analyse van de zwaartekrachtsgolven onthult dat de neutronenster ongeveer twee keer zo zwaar is als onze zon, terwijl het zwarte gat ongeveer negen keer zo zwaar is. De fusie zelf vond ongeveer een miljard jaar geleden plaats – nog voordat de eerste dino’s over het aardoppervlak zwierven – maar de zwaartekrachtsgolven bereiken de aarde nog maar net.

Tweede keer
Wat heel opmerkelijk is, is dat slechts enkele dagen later, op 15 januari 2020, er opnieuw een botsing tussen een neutronenster en zwart gat werd waargenomen. Deze neutronenster en het zwarte gat kwamen ook ongeveer een miljard jaar geleden in botsing. De fusie is echter iets minder massief dan de eerste: de neutronenster is ongeveer anderhalf keer zo zwaar als onze zon, terwijl het zwarte gat ongeveer vijf en een half keer zo zwaar is.

Opgeslokt
Het moeten bizarre gebeurtenissen zijn geweest. “Elke botsing betreft niet alleen het samensmelten van twee massieve en dichte objecten,” legt onderzoeker Susan Scott uit. “Het is echt zoals Pac-Man. Het zwarte gat heeft zijn begeleidende neutronenster in zijn geheel opgeslokt. Dit zijn opmerkelijke gebeurtenissen en we hebben lang gewacht om er getuige van te zijn. Het is ongelofelijk dat we dit nu eindelijk konden vastleggen.”


Bekijk in deze video hoe een zwart gat een neutronenster verorbert.

Neutronensterren en zwarte gaten draaien om elkaar heen met ongeveer de helft van de lichtsnelheid voordat ze botsen en samensmelten. Hierdoor komt de neutronenster onder buitengewone druk te staan, waardoor ‘ie uitrekt en vervormt terwijl hij het zwarte gat nadert.

Mijlpaal
Het bestaan van paren neutronensterren en zwarte gaten wordt al tientallen jaren door theoretici voorspeld, maar was tot op heden nog niet ontdekt. Ondertussen zijn er al vele paren neutronensterren gevonden, maar nooit een neutronenster die baantjes trekt rondom een zwart gat. De detectie van twee botsingen tussen een neutronenster en een zwart gat is dan ook een enorme mijlpaal. “Het observeren van deze botsingen effent het pad om meer te weten te komen over fundamentele fysica, maar ook over hoe sterren worden geboren, leven en sterven,” legt onderzoeker Rory Smith uit.

De onderzoekers hopen daarnaast dat ze dankzij de ontdekking meer over de nog altijd raadselachtige zwarte gaten kunnen openbaren. “Zwarte gaten zijn een kosmisch raadsel,” gaat Smith verder. “De wetten van de fysica zoals wij ze begrijpen, vallen uiteen wanneer we proberen te begrijpen wat er in het hart van een zwart gat zit. We hopen dat we door het observeren van zwaartekrachtsgolven van zwarte gaten die samensmelten met neutronensterren of andere zwarte gaten, het mysterie van deze objecten kunnen ontrafelen.”