De experimenten LIGO en Virgo hebben zwaartekrachtsgolven gezien, afkomstig van twee zwarte gaten die zwaarder zijn dan ontplofte sterren kunnen achterlaten.

Als een zware ster ‘overlijdt’, laat ie een zwart gat achter – en volgens onze huidige theorieën kunnen zulke gaten maximaal 45 keer zoveel wegen als onze zon. De twee LIGO-detectoren in de VS en de Europese detector Virgo bij Pisa in Italië hebben echter zwaartekrachtsgolven gezien, afkomstig van twee samensmeltende zwarte gaten met massa’s die daarboven liggen. De vraag is nu hoe zulke gaten hebben kunnen ontstaan.

Grote vragen

Simpel redenerend zou je zeggen: hoe zwaarder een ster is, des te zwaarder het zwarte gat dat achterblijft nadat hij als supernova is geëxplodeerd. In werkelijkheid lijkt het echter anders te gaan. Vanaf een bepaalde massa raakt een ster tijdens zijn doodsstrijd relatief veel gas kwijt, waardoor het resulterende zwarte gat lichter is dan je zou verwachten. Op een gegeven moment klapt de ster met zo veel geweld uit elkaar dat er zelfs helemaal géén zwart gat overblijft.

Zes emmertjes lava halen
LEES OOK
Zes emmertjes lava halen

Daardoor laten sterren geen zwarte gaten achter zwaarder dan 45 zonsmassa’s, zo stelden sterrenkundige Selma de Mink (Harvard-universiteit en Universiteit van Amsterdam) en collega’s in een eind vorig jaar gepubliceerde studie. Andere schattingen zijn van dezelfde orde van grootte.

Op 21 mei 2019 maten de twee LIGO-detectoren in de VS en de Europese detector Virgo bij Pisa in Italië echter zwaartekrachtsgolven afkomstig van een botsing tussen een zwart gat van 66 zonsmassa’s en een gat van 85 zonsmassa’s. En dat roept grote vragen op onder astronomen.

De auteurs van de twee vandaag verschenen wetenschappelijke artikelen over de vondst richten zich daarbij vooral op het zwarte gat van 85 zonsmassa’s. Volgens hen is het gat van 66 zonsmassa’s (dat, preciezer gezegd, een massa heeft die met 90 procent zekerheid tussen 48 en 83 zonsmassa’s ligt) mogelijk nog wel te verklaren met onze huidige theorieën. Maar een zwart gat van 85 zonsmassa’s houdt zich zo overduidelijk niet aan de regels dat daar sowieso iets anders aan de hand moet zijn.

Oncomfortabel kleine kans

Een voor de hand liggende mogelijkheid is dat het zwarte gat van 85 zonsmassa’s niet het directe overblijfsel is van één stervende ster, maar het resultaat van een eerdere samensmelting van twee lichtere zwarte gaten. ‘De kans dat een zwart gat een ander zwart gat vindt, daarmee samensmelt, en dan wéér een partner vindt, is onder normale omstandigheden oncomfortabel klein’, zegt De Mink. ‘Toch zullen de meeste sterrenkundigen op dit antwoord inzetten.’

Onder welke omstandigheden had een zwart gat twee keer kunnen samensmelten? Eén mogelijkheid is in een sterrenhoop; een grote verzameling sterren. Probleem is dat een zwart gat, nadat het is ontstaan uit een samensmelting van twee lichtere exemplaren, een terugslag krijgt en daardoor gelijk de sterrenhoop uit schiet. Daardoor zit een volgende ontmoeting met nóg een zwart gat in diezelfde hoop er niet in. Alleen als de oorspronkelijke twee zwarte gaten beide niet om hun as tolden, vertelt De Mink, zou je een gat kunnen krijgen dat in de sterrenhoop blijft en vervolgens kan samensmelten met een derde gat.

Een andere plek waar twee samensmeltingen op rij een optie zijn, vormen de sterren die in het centrum van een sterrenstelsel rond het daar aanwezige superzware zwarte gat zijn verzameld. (Superzware zwarte gaten zijn in de regel miljoenen keren zo zwaar als de zon en ontstaan op een heel andere manier dan de zwarte gaten waar het hier over gaat.) ‘Daar moet het stikken van de zwarte gaten’, zegt De Mink. ‘En die terugslag na de eerste samensmelting speelt geen rol, want de zwaartekracht van het superzware zwarte gat en alle andere sterren zorgen ervoor dat het ontstane zwarte gat niet zomaar weg kan vliegen.’

Vertekenend effect

Ook een mogelijkheid is dat de zwarte gaten in werkelijkheid lichter zijn dan ze lijken. Dan zou de zwaartekrachtsgolf op weg naar de aarde zijn versterkt door de zwaartekracht van een tussenliggende cluster van sterrenstelsels. Dat vertekenende effect, een zwaartekrachtslens genaamd, kennen we tot op heden alleen van licht, maar het zou in principe eveneens kunnen optreden bij een zwaartekrachtsgolf.

Het ‘spannendste, maar ook meest wazige scenario’ noemt De Mink de mogelijkheid dat het hier niet gaat om ‘gewone’ zwarte gaten, maar om oer-zwarte gaten of primordial black holes. Die zouden niet het overblijfsel vormen van een overleden zware ster, maar al in het vroege heelal zijn ontstaan. ‘Zulke zwarte gaten hoeven zich uiteraard niets aan te trekken van de maximale massa die geldt voor de zwarte gaten die sterren achterlaten’, zegt De Mink.

Donkere fotonen en extra dimensies

En het kan nóg exotischer. Eerder dit jaar suggereerden theoretisch natuurkundige Djuna Croon van het Canadese instituut TRIUMP en collega’s al dat het bestaan van nieuwe natuurkunde, bijvoorbeeld in de vorm van nog onontdekte deeltjes, een hogere maximale massa voor zwarte gaten mogelijk maakt dan de genoemde 45 zonsmassa’s. En nu duiken er ineens twee zwarte gaten op waarvan er één moeilijk met die 45 zonsmassa’s te rijmen is en de ander er ruim boven ligt. ‘Dat is voor een natuurkundige de droom’, zegt Croon. ‘Je doet onderzoek naar een fenomeen en dan wordt er ineens een meting gedaan die dat onderzoek heel relevant maakt.’

Momenteel werkt Croon met collega’s aan een artikel dat de verschillende scenario’s in de nieuwe-fysica-hoek op een rij zet. Een mogelijkheid die zeker voorbij zal komen, is het axion. Dat deeltje is een donkere-materie-kandidaat die recent in de belangstelling kwam te staan door een nog onverklaarde meting van het experiment XENONnT. Maar ook donkere fotonen, extra dimensies en aangepaste zwaartekrachtstheorieën zullen de revue passeren.

De Mink vindt het op zich interessant om te bekijken wat er allemaal achter deze onverwacht zware zwarte gaten kan zitten. ‘Toch zet ik mijn geld op een astrofysische verklaring’, zegt ze. ‘Deze zwarte gaten zijn ook weer niet zó verschillend van de zwarte gaten die we eerder hebben gezien en die we wel kunnen verklaren.’

Stephen Hawking
LEESTIP: Zwarte gaten ontbreken uiteraard niet in de nieuwe biografie van Stephen Hawking, geschreven door zijn vriend en coauteur Leonard Mlodinow. Bestel in onze webshop.