De uitdijing van het heelal zorgt ervoor dat de massa van zwarte gaten geleidelijk toeneemt. Dat verklaart volgens Amerikaanse natuurkundigen waarom veel botsende zwarte gaten zwaarder zijn dan de huidige theorie toestaat.

Sinds 2015 kunnen we botsende zwarte gaten via zwaartekrachtsgolven waarnemen. Dit soort botsingen ontstaan vermoedelijk doordat twee zware sterren die om elkaar heen draaien allebei in een zwart gat veranderen. Door die verandering komen de objecten dichter bij elkaar, zodat een samensmelting onvermijdelijk wordt.

De zwarte gaten die uit zulke dubbelsterren voortkomen, kunnen niet al te zwaar zijn. Wanneer een ster in een zwart gat verandert, verliest hij namelijk een groot deel van zijn massa doordat hij zijn buitenste lagen uitstoot. Om twee zware zwarte gaten te krijgen, moeten de oorspronkelijke sterren dus nog veel zwaarder zijn geweest. In dat geval zou het sterkoppel al voor de duistere transformatie instabiel worden.

Daardoor hebben twee botsende zwarte gaten in theorie samen een massa van hooguit 40 keer die van de zon. Maar veel van de zwarte gaten die tot dusver via zwaartekrachtsgolven zijn gemeten, zijn meer dan 50 keer zo zwaar als de zon. Van sommige van die zwarte gaten ligt de massa vermoedelijk zelfs boven de 80 zonsmassa’s.

Simulaties

Amerikaanse sterrenkundigen hebben nu een nieuwe verklaring bedacht voor die hoge massa’s. Op basis van simulaties concluderen ze dat zwarte gaten zwaarder worden door de uitdijing van het heelal.

De astrofysici simuleerden de levensloop van miljoenen koppels van zware sterren – van hun geboorte tot hun gewelddadige dood. De zwarte gaten die hieruit voortkwamen, waren bij hun ontstaan gewoon zo zwaar als de theorie voorschrijft.

Vervolgens linkten de onderzoekers deze zwarte gaten aan de uitdijing van het heelal. Daardoor werden ze, naarmate ze naar elkaar toe draaiden, langzaamaan steeds zwaarder (zie kader ‘Afvoerputje’ onderaan dit artikel). Toen ze uiteindelijk op elkaar botsten, was hun massa genoeg toegenomen om de zwaartekrachtsgolfmetingen te verklaren.

Bovendien zorgde de link met de uitdijing ervoor dat zwarte gaten vaker met elkaar in botsing kwamen. Dat komt eveneens overeen met onze waarnemingen. 

Gemaakt van ruimtetijd

Natuurkundigen die zwarte gaten simuleren, houden doorgaans geen rekening met de uitdijing van het heelal. Anders worden de berekeningen veel te complex. Op korte termijn heeft de groei van het universum ook geen enkele invloed op de duistere objecten.

Twee zwarte gaten die naar elkaar toe draaien, doen er echter miljarden jaren over om bij elkaar te komen. In die tijd kan de kosmische uitdijing wel degelijk effect hebben. Theoretisch natuurkundige Marcel Vonk van de Universiteit van Amsterdam vindt dat een interessant idee. ‘Een zwart gat is ‘gemaakt van’ precies dezelfde ruimtetijd als waaruit het hele heelal bestaat’, zegt hij. ‘Als de ruimte uitdijt, is het dus logisch dat het zwarte gat daar ook gevolgen van ondervindt.’

‘Het zou een heel mooie verklaring zijn voor iets wat ons tot nu toe toch wel verbaasde’, vervolgt Vonk. ‘En je hebt er verder niets extra’s voor nodig; het is puur een kwestie van beter kijken naar de fysica die we al kennen en de juiste ingrediënten daaruit combineren.’

Speelruimte

Vonk is wel verrast dat het effect van de uitdijing groot genoeg lijkt om de flinke massa’s van de botsende zwarte gaten te verklaren. Op dit gebied manen de onderzoekers ook tot voorzichtigheid. ‘Over samensmeltende zwarte gaten is nog veel onbekend’, zegt Michael Zevin van de Universiteit van Chicago in een persbericht. ‘Onze simulaties hebben daarom veel speelruimte. We kunnen nog niet vastleggen hoe groot de invloed van de uitdijing precies is.’

Volgens de onderzoekers kan hun idee wel in de nabije toekomst getest worden. Wanneer twee zwarte gaten in de aanloop naar hun botsing steeds zwaarder worden, beïnvloedt dat de snelheid waarmee ze om elkaar heen draaien. Een dergelijke verandering in omlooptijd is met de huidige zwaartekrachtsgolfdetectoren niet goed genoeg meetbaar. Maar met de volgende generatie detectoren zou dat volgens de onderzoekers wel moeten kunnen.

Wellicht is dit dan een mooi klusje voor de Einstein Telescope, de Europese detector die later dit decennium gebouwd moet worden. Een van de mogelijke locaties voor deze telescoop is rond het Drielandenpunt bij Vaals. Onlangs werd in Maastricht al de ETpathfinder geopend, een testfaciliteit voor onderzoek naar zwaartekrachtsgolven.

Afvoerputje
Hoe kan de uitdijing van het heelal de massa van een zwart gat doen toenemen? Er valt geen extra materie in het zwarte gat. Waar komt die extra massa dan vandaan?

Dat heeft er allereerst mee te maken dat gebeurtenissen op kosmische schaal geregeerd worden door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Daarin zijn massa en energie twee kanten van dezelfde medaille – iets wat we terugzien in de beroemde formule E = mc2. We kunnen daarom beter zeggen dat de energie van het zwarte gat toeneemt.

Hoe komt dat? Een zwart gat kun je zien als een afvoerputje in het heelal: het is een plek waar de ruimtetijd zo sterk gekromd is, dat alles in de omgeving ernaartoe wordt gezogen. Door de kosmische uitdijing verandert de structuur van de ruimtetijd binnen het zwarte gat. Daardoor wordt de kromming eromheen nog sterker. En hoe sterker de kromming rond een zwart gat, hoe groter zijn energie danwel massa.

Een soortgelijk effect vindt plaats bij licht. De kosmische uitdijing zorgt ervoor dat de golflengte van lichtdeeltjes die door het heelal reizen langzaam groter wordt; het licht wordt als het ware uitgerekt. Een grotere golflengte staat gelijk aan een lagere energie. Waar zwarte gaten energie verkrijgen, raakt licht dus juist energie kwijt door de uitdijing van het heelal.

De race tegen de schildpad
Leestip: in dit boek gaat fysicus Marcel Vonk dieper in op de mooiste gedachte-experimenten in de natuurkunde. Te bestellen in onze webshop, als paperback en als e-book.