Eén van de twee zwarte gaten heeft zo’n merkwaardige massa, dat deze eigenlijk niet eens zou moeten bestaan.

Zwarte gaten zijn enorm, toch? Het eerste gedetecteerde paar zwarte gaten was elk ongeveer dertig keer zo zwaar als onze zon. Toen ze samensmolten was het resulterende ‘overblijfsel’ een zwart gat dat maar liefst zestig keer massiever was dan de zon. Onderzoekers beschrijven nu in een nieuwe studie de botsing tussen twee monsterachtig grote zwarte gaten. En dit leidde tot de geboorte van een nóg zwaarder object: een zwart gat dat ongeveer 142 keer zo zwaar is als onze zon.

Zwaartekrachtsgolven
Ondanks al zijn leegte bruist het universum van activiteit in de vorm van zwaartekrachtsgolven. Deze worden geproduceerd door extreme astrofysische verschijnselen, zoals door botsingen van zwarte gaten. Deze zwaartekrachtsgolven rimpelen door het heelal en laten het ‘weefsel’ van de ruime-tijd schudden, vergelijkbaar met het gerinkel van een kosmische bel. Onderzoekers hebben nu een signaal gedetecteerd van wat misschien wel de meest massieve samensmelting van zwarte gaten voorstelt die ooit in zwaartekrachtsgolven is waargenomen. Het team pikte het signaal op met behulp van het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) en de Virgo-detector. Het signaal heeft de naam GW190521 gekregen.


Meer over GW190521
Het signaal, dat lijkt op vier korte kronkels, is extreem kort van duur; minder dan een tiende van een seconde. Voor zover de onderzoekers kunnen nagaan werd GW190521 gegenereerd op het moment dat het universum ongeveer de helft van zijn leeftijd was. Hierdoor behoort het signaal tot één van de verst verwijderde bronnen van zwaartekrachtsgolven die tot op heden zijn ontdekt.

Dit nieuw ontdekte signaal vertegenwoordigt waarschijnlijk het moment waarop twee monsterachtig grote zwarte gaten – die een massa van ongeveer 85 en 66 keer die van onze zon hebben – samenvloeiden. De fusie creëerde een nog zwaarder zwart gat, van ongeveer 142 zonmassa’s. De nieuw ontdekte samensmelting lijkt dan ook de meest massieve tot nu toe zijn. Bovendien kwam er een enorme hoeveelheid energie vrij gelijk aan 8 zonmassa’s, verspreid over het universum in de vorm van zwaartekrachtsgolven. De ontdekking is erg bijzonder. “Dit is de eerste keer dat we een zwart gat waarnemen dat bijna twee keer zo zwaar is als elk ander zwart gat dat ooit met zwaartekrachtsgolven is waargenomen,” aldus Juan Calderón Bustillo.

Gemiddelde massa
De unieke grote massa van de twee fuserende zwarte gaten, evenals het daaruit voortgevloeide zwarte gat, roepen een hele reeks vragen op over hun vorming. Alle zwarte gaten die tot nu toe zijn waargenomen kunnen in één van de twee bestaande categorieën worden geplaatst. De eerste categorie omvat zwarte gaten met een stellaire massa die variëren van enkele zonmassa’s tot tientallen zonmassa’s en waarvan wordt aangenomen dat ze ontstaan wanneer zware sterren sterven. De tweede categorie bestaat uit superzware zwarte gaten – zoals die in het centrum van onze Melkweg – die honderdduizenden tot miljarden keer zo groot zijn als onze zon. Het nieuw ontdekte zwarte gat van 142 zonmassa’s valt daar dus precies tussenin. Deze is dan ook de eerste in zijn soort. Mogelijk zijn deze middelzware zwarte gaten de zaadjes die uitgroeien tot de superzware zwarte gaten die zich in het centrum van sterrenstelsels ophouden.

Het signaal GW190521 bestaande uit waarschijnlijk twee botsende zwarte gaten, wat leidde tot de geboorte van een nieuw groot zwart gat met een unieke massa. Afbeelding: LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)

De zeldzame gebeurtenis heeft ertoe geleid dat onderzoekers zich afvragen hoe het zwarte gat van maar liefst 142 zonmassa’s is ontstaan, waar het vandaan komt en hoe de twee fuserende zwarte gaten elkaar überhaupt hebben gevonden. “Zwarte gaten ontstaan wanneer massieve sterren sterven en exploderen in een supernova,” legt onderzoeker Isobel Romero-Shaw uit. “Maar wanneer de ster een kernmassa heeft in een bepaald bereik – tussen ongeveer 65 en 135 keer de massa van de zon – blaast hij zichzelf meestal op, zodat er geen zwart gat ontstaat.” Het feit dat er nu toch een zwart gat van 82 zonmassa’s is ontdekt, is dan ook heel merkwaardig.


Matroesjka
De onderzoekers hebben wel een mogelijke verklaring geformuleerd. Het zou namelijk kunnen dat de twee fuserende zwarte gaten geen instortende sterren zijn geweest, maar mogelijk zijn ontstaan uit een eerdere botsing met een zwart gat. “Mogelijk zijn het twee kleinere zwarte gaten geweest die eerder samenvloeiden,” verduidelijkt onderzoeker Simon Stevenson. “Als dat waar is, hebben we hier een groot zwart gat gemaakt van twee kleinere zwarte gaten, met nog kleinere zwarte gaten erin. Een beetje zoals de Russische matroesjka poppen.”

Er bestaan nog veel vragen over GW190521. “De gebeurtenis roept eigenlijk meer vragen op dan dat het antwoorden geeft,” aldus onderzoeker Alan Weinstein. “Het is echt iets heel spannends. Sinds we de LIGO-detector gebruiken, hebben we alleen nog onomstotelijk botsingen tussen zwarte gaten of neutronensterren vastgelegd. De huidige botsing zou mogelijk uit iets anders kunnen bestaan. We hoopten allemaal op iets nieuws, iets onverwachts, dat de kennis die we tot nu toe hebben opgedaan, kan uitdagen. De nieuwe gebeurtenis heeft de potentie om precies dat te doen.”