Zwarte gaten die verschijnen als een ster instort in de nabijheid van een andere ster, kunnen zonder explosie ontstaan. Dat blijkt uit waarnemingen aan een duo van een klein zwart gat en een grotere partnerster.
In 2022 ontdekten astronomen een bijzonder dubbelsysteem dat bestaat uit een zwart gat dat 10 keer zo zwaar is als de zon, en een zware ster die net zoveel weegt als 25 zonnen. Het duo, dat de naam VFTS 243 kreeg, bevindt zich in een klein sterrenstelsel, de Grote Magelhaense Wolk, op 160.000 lichtjaar afstand van de aarde.
‘Toen ik over deze ontdekking las, werd ik meteen enthousiast’, zegt sterrenkundige Alejandro Vigna-Gómez van het Duitse Max Planck-instituut voor astrofysica. ‘Uit de wetenschappelijk publicatie erover bleek namelijk dat we van dit systeem iets kunnen leren over het ineenstorten van een ster tot zwart gat.’
Toeval speelde een grote rol bij veel spectaculaire kosmische ontdekkingen
Het heelal zit vol verrassingen. We moeten toevallige ontdekkingen in de wetenschap omarmen, zegt astrofysicus Chris Lintott.
Explosie en geboorteschop
Een zware ster stort aan het eind van zijn leven ineen tot een supercompacte neutronenster of een zwart gat. Bij die ineenstorting komt een grote hoeveelheid energie vrij. Daardoor wordt de buitenste laag van de ster, die bestaat uit waterstofgas, weggeblazen. Als dit gebeurt met een krachtige explosie, dan spreken sterrenkundigen van een supernova.
Het stermateriaal dat tijdens zo’n explosie de ruimte in vliegt, wordt zelden symmetrisch uitgestoten. Vanuit sommige gebieden van de ineenstortende ster wordt meer materiaal weggeblazen dan van andere gebieden, doordat de explosie een rommelig proces is.
Die asymmetrie zorgt ervoor dat de nieuwgevormde neutronenster of het zwarte gat een terugslag ervaart. Dit wordt een natal kick, of ‘geboorteschop’ genoemd. Hierdoor kan de snelheid waarmee, en de richting waarin, het object beweegt abrupt veranderen.
Dubbelster met zwart gat
De gevolgen van die geboorteschop zijn waargenomen bij neutronensterren in de Melkweg. Maar er is nog minder bekend over hoe deze terugslag zich uit als er een zwart gat ontstaat.
Dat geldt vooral voor zwarte gaten die ontstaan in dubbelstersystemen. In die systemen kan de ene ster namelijk zo dichtbij de andere zware ster staan dat er massaoverdracht plaatsvindt. De ene ster slurpt dan als het ware de buitenste waterstoflaag van de andere ster op.
Op het moment dat de ster ineenstort, is hij zijn waterstoflaag dus al kwijt. Dat zorgt ervoor dat er geen explosie kan plaatsvinden. Er vliegt dan dus geen grote hoeveelheid stermateriaal het heelal in.
De energie van de ineenstorting komt dan dus niet of nauwelijks vrij in de vorm van wegschietend stermateriaal, maar bijna uitsluitend in de vorm van neutrino’s. Dit zijn lichte, snelle deeltjes die zelden met ander materiaal botsen en daarom gemakkelijk ontsnappen, zonder een explosie te veroorzaken.
Maar hoe verlopen deze ‘stille’ ineenstortingen waarbij er zonder explosie een zwart gat ontstaat? Hoeveel massa verliest de ster hierbij? En is er nog sprake van een geboorteschop? ‘Dankzij de ontdekking van VFTS 243 konden we dat gaan uitzoeken’, zegt Vigna-Gómez.
Neutrino’s
Vigna-Gómez en zijn collega’s gebruikten computersimulaties die iets vertellen over de hoeveelheid energie die vrijkwam tijdens het ineenstorting die leidde tot het zwarte gat in VFTS 243. Daarnaast konden ze aan de hand van de waargenomen baan van het zwarte gat om zijn partnerster en de massa’s van het zwarte gat en de ster een limiet te stellen aan de kracht van de geboorteschop. Dit gaf ze inzicht in de ineenstorting. Hun resultaten verschenen in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
‘We kwamen erachter dat er minder dan drie zonsmassa aan massa is weggeblazen en dat er een kleine of zelfs helemaal geen geboorteschop was’, zegt Vigna-Gómez. ‘Dat betekent dus dat de buitenste waterstoflaag al weg was tijdens de ineenstorting en dat er erg weinig energie vrijkwam bij de vorming van dit zwarte gat.’ Het zwarte gat in VFTS 243 ontstond dus waarschijnlijk relatief rustig, zonder asymmetrische explosie waardoor hij een slinger gekregen heeft.
‘Dit vertelt ons dat de energie van de ineenstorting vrijwel volledig vrij is gekomen in de vorm van neutrino’s die bijna perfect symmetrisch zijn uitgezonden’, zegt Vigna-Gómez. Als het uitzenden van de neutrino’s niet nagenoeg symmetrisch was, dan zouden deze superlichte deeltjes namelijk alsnog een geboorteschop veroorzaakt hebben.
Schopjes
De observatie en analyse van VFTS 243 kan ook gebruikt worden om computermodellen die voorspellingen doen over het ontstaan van zwarte gaten te testen, zegt Vigna-Gómez. De modellen die voorspellen dat een zwart gat altijd een flinke geboorteschop krijgt, moeten terug naar de tekentafel. Dat geldt niet voor de modellen waarmee deze onderzoekers werken. Vigna-Gómez: ‘Die blijken wel relatief kleine schopjes te voorspellen en kloppen dus met de observaties.’
VFTS 243 is een van de eerste dubbelstersystemen waarbij het effect van neutrino’s op geboorteschopjes onderzocht kon worden. Door dit ook in andere systemen te onderzoeken, hopen de onderzoekers een completer beeld te krijgen van het ontstaan van zwarte gaten uit zware sterren.
