Wetenschapbotsing zwarte gaten

Grote kosmische klap onthult bestaan ‘onmogelijk’ zwart gat

Zwaartekrachtsgolftelescopen Ligo in de VS en Virgo in Italië hebben hun grootste vangst tot nog toe gedaan. Ze zagen hoe ruimte en tijd natrilden van een botsing tussen twee zwarte gaten. Minimaal één daarvan zou volgens de gangbare theorieën niet mogen bestaan. De vondst stelt astronomen voor een raadsel.

Tekening van twee zwarte gaten (rechtsonder) die elkaar tegenkomen in de stofschijf rond een superzwaar zwart gat (linksboven) in het centrum van een sterrenstelsel.Beeld Caltech / R. Hurt

Boem. Knal. Tril. Toen op 7 miljard lichtjaar afstand van de aarde twee zwarte gaten – voorwerpen zo zwaar dat zelfs het licht niet aan hun zwaartekracht kan ontsnappen – met veel geweld op elkaar klapten, begonnen ruimte en tijd te trillen als een drilpudding waarop je met een theelepel slaat. Vorig jaar, op 21 mei, trok die zogeheten zwaartekrachtsgolf als nauwelijks meetbare rimpeling door de aarde. Daar wisten de hypergevoelige zwaartekrachtgolftelescopen Ligo en Virgo hem op heterdaad te betrappen.

Na analyse van het getril, blijkt het signaal – het vijftiende dat gepubliceerd is sinds de detectoren begonnen met meten – bijzonder, zo schrijven betrokken onderzoekers in twee analyses die woensdag verschenen in de vakbladen Physical Review Letters en Astrophysical Journal Letters. Niet alleen is het zwarte gat dat na de botsing ontstond het verste en zwaarste dat de detectoren tot nog toe hebben gezien (zo’n 140 maal zo zwaar als de zon), maar de twee zwarte gaten die op elkaar klapten om dat monster te maken, kunnen misschien helemaal niet bestaan. Minimaal één van de twee – en misschien zelfs beide – had een hoeveelheid massa die volgens de huidige theorieën niet kan voorkomen.

Zwaarste zwarte gat

‘Gewone’ zwarte gaten ontstaan wanneer een zware ster sterft. Normaliter zet de dood van zo’n ster een keten in gang die ervoor zorgt dat deze inklapt. De druk in zijn binnenste wordt dan zo hoog dat de kern samenperst tot zwart gat. Is een ster té zwaar, dan krijgt hij daartoe geen kans. Zo’n ster stort niet ineen, maar knalt juist uit elkaar. Het zwaarste reguliere zwarte gat dat Moeder Natuur uit één ster kan maken ligt zo rond de 65 zonsmassa’s. Althans: dat leek tot voor kort het geval.

Van de twee bij de botsing betrokken zwarte gaten, bleek het zwaarste na analyse rond de 85 zonsmassa’s, midden in de verboden zone. ‘Dat kan niet en dan vind je het ineens tóch’, zegt astrofysica Selma de Mink (Harvard University), zelf niet direct bij het onderzoek betrokken. ‘Daar word ik wel enthousiast van, ja.’ Ook van het andere zwarte gat, het lichtere, bestaat de kans dat die een verboden massa had. Dat gat tikte volgens de onderzoekers ongeveer 66 zonsmassa’s aan.

Vals alarm

Het is niet de eerste keer dat astronomen melding maken van zo’n ‘onmogelijk’ zwart gat. Vorig jaar nog schreef een groep in vakblad Nature dat ze er eentje hadden gevonden die 68 keer zo zwaar was als de zon. Dat bleek achteraf vals alarm, zo luidt de consensus onder astronomen.

‘Heel zonde’, zegt De Mink. ‘De achterliggende analyse die ze gebruikten was complex en bleek achteraf onvoldoende nauwkeurig uitgevoerd.’ Volgens haar is de kans dat we dit nieuwe resultaat straks ook  uit de boeken moeten schrappen zeer klein. Massameting door middel van zwaartekrachtgolven is veel nauwkeuriger dan de methode die men voor het Nature-artikel gebruikte.

Blijft de vraag hoe die ‘verboden’ zwarte gaten – of het er nu eentje was, of twee – kunnen ontstaan. Als de modellen over sterren kloppen, kunnen ze niet rechtstreeks geboren zijn uit een stervende ster. Wel kunnen twee lichtere zwarte gaten na botsing zijn samengesmolten tot een zwart gat in het verbodenmassaregime.

Ingewikkeld systeem

‘Dat levert alleen wel een heel ingewikkeld systeem op’, zegt De Mink. Eerst moeten twee zwarte gaten botsen om een gat te maken met de ‘verboden’ massa, waarna dat gat tijdens de nu gemeten botsing weer op een volgend zwart gat moet klappen. Zulke tweede- of derdegeneratiebotsingen zijn echter zeldzaam.

Wellicht dat de relatief dichtbevolkte gebieden rond het centrum van een sterrenstelsel daarom een rol spelen, zo speculeren de onderzoekers in Astrophysical Journal Letters. In het centrum van de meeste stelsels huist een superzwaar zwart gat van wel miljoenen tot miljarden zonsmassa’s – hoe die kunnen ontstaan is overigens niet bekend – en daaromheen, zo denken astronomen, zou best eens een zwerm van kleinere zwarte gaten en neutronensterren kunnen draaien. ‘Daar is het dan zo dichtbevolkt dat de kans op een tweede of derde botsing groter is’, zegt De Mink.

Exotische oorzaken

De astronomen sommen in hun artikel ook meer exotische verklaringen op. Van een kosmische lens die het signaal versterkt – alsof Moeder Natuur de volumeknop ver opendraait en we daardoor de klap te hard inschatten – tot gegoochel met extreme voorwerpen, zoals hypothetische kosmische snaren, scheuren in het basale weefsel van ruimte en tijd. ‘Ik zou er mijn geld niet op inzetten’, zegt De Mink.

Binnenkort maken Ligo en Virgo overigens ook de rest van de resultaten bekend van hun meest recente serie metingen, met daarin nog zo'n vijftig – minder spannende – mogelijke botsingen. ‘Daarvan leren we nog meer dan van dit bijzondere signaal. Vergelijk het met onderzoek naar mode: die ene gekke outfit of hoed bij Koningsdag is heus heel interessant, maar je wilt uiteindelijk vooral weten wat alle andere mensen dragen.’

Meer zwaartekrachtgolven, zwarte gaten en onmogelijke kosmische voorwerpen

Wetenschappers hebben de botsing gezien tussen een zwart gat en een voorwerp dat eigenlijk niet kan bestaan. De vondst werd gedaan met zwaartekrachtgolven, het trillen en deinen van ruimte en tijd.  

Sinds 2015 beschikken sterrenkundigen over een nieuwe manier om naar het heelal te kijken: zwaar­tekracht­golven. Zo is het heelal niet meer alleen te zien, maar ook te horen.

Zuid-Limburg lijkt geschikt als locatie voor de Einstein Telescope, zo blijkt uit proefboringen in het gebied. Het wetenschappelijk prestigeproject moet de opvolger worden van de detectoren die in 2016 voor het eerst zagen hoe ruimte en tijd kunnen trillen

Ruim tien jaar voordat de Nobelprijs voor natuurkunde ging naar de eerste meting van zwaartekrachtgolven, kwamen onderzoekers uit Nederland al dicht bij dat door Einstein onmogelijk geachte resultaat. Hoe Nederland naast de Nobelprijs greep.

Quarksoep, wormholes en de diepste aard van de werkelijkheid: een spoedcursus zwarte gaten

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden