Hoe klein kan een zwart gat eigenlijk zijn? Tientallen jaren lang hebben astronomen een antwoord op deze vraag proberen te krijgen door zoveel mogelijk zwarte gaten in ons universum te tellen en op te meten.
Daarbij hebben ze heel wat grote en middelgrote uitvoeringen van deze objecten gevonden, waaronder een superzwaar monster in het hart van onze eigen Melkweg. Maar ze vonden geen aanwijzingen voor kleine zwarte gaten, een gemis dat is uitgegroeid tot een van de meest hardnekkige problemen in de astrofysica.
Maar nu hebben astronomen een zwart gat met de omvang van slechts drie zonsmassa’s ontdekt, wat dit object tot een van de kleinste zwarte gaten maakt die tot nu toe zijn waargenomen. En het is toevallig ook het zwarte gat dat zich het dichtstbij de aarde bevindt, op een afstand van ‘slechts’ 1500 lichtjaar.
De ontdekking “impliceert dat we nog veel meer kleine zwarte gaten kunnen vinden als we het stuk ruimte dat we hebben onderzocht gaan uitbreiden,” zegt Tharindu Jayasinghe, astronoom aan de Ohio State University en hoofdauteur van de nieuwe studie in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society waarin de waarneming wordt beschreven. De ontdekking “zal een aansporing zijn om deze systemen te vinden.”
Jayasinghe en zijn collega’s noemen het object een ‘eenhoorn’, deels omdat het een uniek fenomeen is en deels omdat het in het sterrenstelsel Monoceros is gevonden, dat door astronomen in de Oudheid het Griekse woord voor ‘eenhoorn’ kreeg toebedeeld. Door het onderzoek naar deze eenhoorn en soortgelijke objecten hopen de wetenschappers een duidelijker beeld te krijgen van de laatste momenten van stervende sterren en antwoord te vinden op de vraag waarom sommige sterren na hun dood in zwarte gaten veranderen en andere in neutronensterren, stellaire restanten met een extreme dichtheid.
Op zoek naar het onzichtbare
Omdat er geen licht uit een zwart gat kan ontsnappen, kunnen deze objecten alleen indirect worden waargenomen. De meeste zwarte gaten zijn gevonden door waarnemingen van röntgenstraling die wordt uitgezonden als het onzichtbare object materie aanzuigt van een begeleidende ster die samen met het zwarte gat een binair stelsel vormt. Daarbij ontstaat rond het zwarte gat een dichte accretieschijf, die veel röntgenstraling uitzendt.
Maar de eenhoorn werd met een andere methode gevonden. Het team van Jayasinghe maakte gebruik van gegevens van meerdere observatoria om periodieke veranderingen in de helderheid en het lichtspectrum van de rode reus V723 Mon te meten. Dit soort observaties wordt al tientallen jaren gebruikt om exoplaneten te vinden, die zelden op directe wijze kunnen worden waargenomen.
Het team leidde uit de gegevens af dat de rode reus door een zwaar begeleidend object werd aangetrokken, waardoor de ster tot de vorm van een regendruppel werd uitgerekt. Uit de gegevens kan de gecombineerde massa van beide objecten worden afgeleid, en als de ster zwaarder blijkt te zijn dan de oorspronkelijke schatting van het team, is het mogelijk dat het onzichtbare object toch een neutronenster is. Maar Jayasinghe en zijn collega’s denken dat het om een zeer klein zwart gat gaat.
Hoewel de eenhoorn de rode reus vervormt, zuigt hij geen materie van de ster aan. Dat betekent dat er ook geen accretieschijf ontstaat en dus ook geen röntgenstraling wordt uitgezonden, wat kan verklaren waarom het object tot nu toe onopgemerkt is gebleven. Het ontbreken van röntgenstraling bij zulke ‘stille’ zwarte gaten is mogelijk de reden dat er tot dusver zo weinig kleine versies van dit fenomeen zijn waargenomen.
Het lijkt erop dat er talloze zwarte gaten met een omvang van meer dan vijf zonsmassa’s bestaan, maar onder die grenswaarde hebben astronomen bijna niets aangetroffen. Het mysterieuze ontbreken van kleine zwarte gaten wordt door astronomen de ‘massakloof’ genoemd.
Het opvullen van de 'massakloof'
Vóór de ontdekking van de eenhoorn waren er al meerdere kandidaat-zwarte gaten waargenomen die binnen de massakloof vielen. In 2019 maakte hetzelfde team bekend dat het een donker object rond een reuzenster had gevonden, maar in dit geval waren de schattingen van de massa van het object niet nauwkeurig genoeg om te kunnen vaststellen of het om een zwart gat of om een “onverwacht zware neutronenster” ging.
Vorig jaar ontdekte een ander team van astronomen mogelijk een drievoudig stelsel op een afstand van zo’n 1100 lichtjaar van de aarde, dat uit een zwart gat van circa vier zonsmassa’s en twee sterren bestond. Als dat stelsel inderdaad een zwart gat bevat, zou het om het dichtstbijzijnde zwarte gat ten opzichte van de aarde gaan, maar meerdere onderzoekers hebben sindsdien hun twijfels over de vondst geuit.
Andere veelbelovende resultaten zijn afkomstig van een detector van zwaartekrachtsgolven, het Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO). In 2019 zagen astronomen een bron van zwaartekrachtsgolven (met de aanduiding GW190814) die door de botsing van twee zware objecten was ontstaan. Het ene object had een massa van 2,6 zonsmassa’s, wat betekende dat het óf een extreem zware neutronenster was óf het lichtste zwarte gat dat tot dan toe was waargenomen. Daarnaast werden in 2017 zwaartekrachtsgolven waargenomen die afkomstig waren van de fusie van twee neutronensterren, waarbij vermoedelijk een zwart gat van slechts 2,8 zonsmassa’s is ontstaan.
Maar objecten die aan de hand van zwaartekrachtsgolven worden waargenomen, zijn helaas op langere termijn niet te bestuderen. Ze bevinden zich doorgaans op enorme afstanden van de Melkweg, wat betekent dat astronomen ze alleen door die korte uitbarsting van zwaartekrachtsgolven leren kennen. Daarna verdwijnen ze voorgoed uit beeld.
De eenhoorn bevindt zich daarentegen in onze kosmische achtertuin en kan de komende jaren uitgebreid worden bestudeerd. “Het feit dat zijn metgezel een rode reus is en dat hij dichtbij de aarde staat, maakt de waarneming veel accurater en betrouwbaarder,” zegt Vicky Kalogera, een astronome van de Northwestern University die niet bij de nieuwe studie was betrokken.
Implosie in de ruimtetijd
Astronomen hopen dat de eenhoorn en soortgelijke objecten licht zullen werpen op de fysica die de vorming van zowel zwarte gaten als neutronensterren bepaalt. Beide objecten ontstaan wanneer een zware ster aan het einde van zijn leven is gekomen en zijn nucleaire brandstof heeft verbruikt. Maar wat er vervolgens met zo’n ster gebeurt, hangt af van zijn massa.
Als de ster iets groter is dan onze zon, explodeert hij in een supernova, waarbij de restanten door de zwaartekracht worden samengedrukt tot een neutronenster – een object met een zó hoge dichtheid dat alle materie erin de dichtheid van een atoomkern heeft.
Maar als de ster veel zwaarder is dan de zon, implodeert hij onder de druk van de immense zwaartekracht nóg verder en ontstaat er een zwart gat. Terwijl zo’n ster zelf tien miljoen jaar kan hebben bestaan, speelt zijn zwanenzang zich in een oogwenk af.
“In een tijdsbestek van vijf tot tien seconden wordt duidelijk of hij als supernova explodeert en daarbij een neutronenster produceert, of dat hij instort en een zwart gat voortbrengt,” zegt Todd Thompson, astronoom aan de Ohio State University en medeauteur van de studie over de eenhoorn. “Maar er kan ook een tussenstadium optreden, waarbij de ster een beetje explodeert maar nog genoeg materiaal overheeft om te imploderen, wat de vorming van een zwart gat veroorzaakt. Dat alles wordt in een paar seconden beslist.”
Een van de problemen waar de onderzoekers op stuiten is het feit dat de fysica die daarbij een rol speelt, nooit direct kan worden onderzocht. “We weten nog altijd niet precies hoe materie zich bij nucleaire dichtheden gedraagt,” zegt Kalogera. “Dat is de grote uitdaging van de astronomie: we kunnen dat soort dichtheden niet op aarde nabootsen.”
De kleinste zwarte gaten, zoals de eenhoorn, zouden wetenschappers kunnen helpen bij het oplossen van dit raadsel.
Mogelijk ontstaat er een duidelijker beeld wanneer er meer gegevens van de ESA-ruimtetelescoop Gaia worden gepubliceerd. Gaia brengt met grote precisie de positie van miljoenen sterren in kaart en daarbij zouden nog meer binaire stelsels gevonden kunnen worden waarin een mini-zwart gat een begeleidende ster beïnvloedt.
Astronomen kijken ook reikhalzend uit naar de publicatie van de volgende dataset van de Sloan Digital Sky Survey, een project waarbij met behulp van een telescoop in New Mexico vele miljoenen hemellichamen worden onderzocht. Uit de beweging van deze sterren zou kunnen blijken of ze door een onzichtbaar maar klein zwart gat worden aangetrokken. En kleine zwarte gaten zouden ook ontdekt kunnen worden door het Vera C. Rubin Observatory, dat nu in Chili in aanbouw is.
Naarmate er meer gegevens beschikbaar komen, hopen astronomen erachter te komen of het gebrek aan kleine zwarte gaten wijst op een nieuw aspect van de natuurkunde die de vorming van deze objecten bepaalt of dat het heelal in feite heel veel kleine zwarte gaten bevat maar dat we nu pas de technologie hebben om ze te kunnen waarnemen.
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
