Het zwarte gat in dubbelstersysteem Cygnus X-1 heeft volgens nieuwe metingen niet een massa van 15, maar van 21 zonsmassa’s. Die flink grotere massa gaat in tegen de huidige sterevolutiemodellen. Het resultaat is ook goed nieuws. Dankzij de meting wordt de kloof tussen de lichte zwarte gaten en de middelzware – die gevonden worden met zwaartekrachtgolfdetectoren – kleiner.

Cygnus X-1 bestaat uit een zwart gat en een begeleidende ster, die om elkaar heen draaien. Het zwarte gat zuigt de sterrenwind op die de begeleidende ster uitblaast. Hierbij komt straling vrij die meetbaar is vanaf de aarde.

In 1964 werd Cygnus X-1 ontdekt toen geigertellers aan boord van een raket röntgenstraling opvingen. Lange tijd was onzeker of die straling afkomstig was van een zwart gat. In 1974 sloten de beroemde natuurkundigen Stephen Hawking en Kip Thorne er zelfs een weddenschap over af. Hawking wedde dat Cygnus X-1 geen zwart gat bevatte. In 1990 gaf hij toe dat hij had verloren.

Galactische geesten
LEES OOK
Galactische geesten

Afstand tot Cygnus X-1

Voor de nieuwe massabepaling van het zwarte gat, gedaan door een internationaal team van astronomen, is eerst de afstand gemeten tot Cygnus X-1. Dit is gedaan met de Very Long Baseline Array (VLBA), een verzameling van tien radiotelescopen verspreid over de Verenigde Staten. Daarmee observeerden ze zes dagen lang Cygnus X-1.

De afstandsbepalingsmethode is gebaseerd op een effect genaamd parallax. ‘Als je je duim voor je houdt en eerst alleen met je rechter- en daarna alleen met je linkeroog ernaar kijkt, lijkt het alsof je duim beweegt ten opzicht van de achtergrond’, legt Sera Markoff uit. Zij is hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam en een van de auteurs van de studie. ‘Als je de hoek meet waarin de duim lijkt te bewegen en de afstand weet tussen je ogen, dan kun je de afstand tot je duim berekenen. In ons geval is onze duim de radiostraling van Cygnus X-1,is het verre achtergrondobject een quasar die miljarden lichtjaren verwijderd is en zijn onze ogen de radiotelescopen op aarde terwijl de aarde rond de zon beweegt.’

Schematische weergave van een parallaxberekening. Illustratie: ICRAR

Verder en zwaarder

Uit de VLBA-metingen bleek dat Cygnus X-1 niet op 6100, maar op 7200 lichtjaar afstand staat. ‘Toen onze radiometingen lieten zien dat de afstand groter was dan we dachten, wisten we dat de massa’s van het zwarte gat en de begeleidende ster ook groter moeten zijn dan gedacht’, vertelt sterrenkundige Phil Uttley van de Universiteit van Amsterdam.

De massa bepaalden de astronomen met Newtons zwaartekrachtwetten. Cygnus X-1 blijkt te bestaan uit een zwart gat van 21 zonsmassa’s en een ster van 41 zonsmassa’s.

Massa-mysterie

Dat het zwarte gat zoveel zwaarder is, strookt niet met de huidige modellen over sterevolutie, die beschrijven hoe zware sterren aan het eind van hun leven ineenstorten tot een zwart gat. Volgens de modellen verliezen zware sterren een deel van hun massa in de vorm van sterrenwind.

Het zwarte gat in Cygnus X-1 ontstond waarschijnlijk uit een ster met ongeveer zestig keer de massa van de zon, die tienduizenden jaren geleden ineenstortte. Dat het zwarte gat zwaarder is dan gedacht, kan betekenen dat de ster minder massa kwijtraakte door sterrenwind dan de modellen voorspellen. ‘De sterrenwinden zijn dus mogelijk minder efficiënt dan we dachten’, zegt Markoff.

(Zwart) gat dichten

Het zwarte gat van 21 zonsmassa helpt ook het gat te dichten tussen lichte zwarte gaten – die gevonden worden in dubbelstersystemen als Cygnus X-1 – en middelgrote zwarte gaten. Zwaartekrachtgolfdetecties tonen namelijk enkel fuserende middelgrote zwarte gaten van meer dan 30 à 40 zonsmassa’s. In dubbelsystemen zoals Cygnus X-1 werden tot nu toe alleen zwarte gaten van minder dan 20 zonsmassa’s gevonden. Uttley: ‘Maar hoe ontstaan die middelgrote zwarte gaten dan? Cygnus X-1 toont mogelijk de tussenfase, met één wat zwaarder zwart gat en één zware ster. Uiteindelijk kunnen die samensmelten tot een middelgroot zwart gat.’

‘Waarschijnlijk zullen theoretici die zware sterren onderzoeken, hun modellen updaten in het licht van deze resultaten, om te zien wat de effecten zijn’, zegt Markoff. ‘Het is moeilijk te zeggen wat de bredere impact hiervan zal zijn, maar het zal interessant zijn om te zien wat er gebeurt.’

LEESTIP: alles over de laatste ontwikkelingen rond zwarte gaten vind je in New Scientist maart 2021, te bestellen in onze webshop.