Wetenschappers hebben het mysterie rond de meest massieve samensmelting van zwarte gaten die ooit is waargenomen opgelost, en hebben onthuld hoe twee ‘onmogelijke’ zwarte gaten zijn ontstaan ondanks lang gekoesterde veronderstellingen dat sterren van die omvang niet zouden mogen bestaan. Bij de botsing, aangeduid als GW231123, waren twee zwarte gaten betrokken die ongeveer 100 tot 130 maal de massa van onze zon wogen – en vielen binnen een eerder gedacht ‘massakloof’ waar zwarte gaten niet zouden mogen bestaan.
Het onmogelijke zwarte gatenprobleem
Tientallen jaren lang geloofden astronomen dat sterren die groot genoeg zijn om zwarte gaten van deze omvang te produceren, met geweld zouden exploderen in supernova’s, waardoor er geen overblijfsel zou achterblijven dat in een zwart gat zou kunnen instorten. De ontdekking van GW231123 daagde dit begrip uit, omdat er twee van zulke “verboden” objecten in zaten, die allebei met extreme snelheden ronddraaiden. Dit riep de vraag op: hoe kunnen deze zwarte gaten ontstaan terwijl dat niet het geval zou moeten zijn?
De rol van snelle rotatie en magnetisme
De doorbraak kwam van gedetailleerde simulaties die rekening hielden met snel roterende, sterk gemagnetiseerde sterren. Onderzoekers ontdekten dat wanneer deze sterren instorten, sterke magnetische velden in de kern een krachtige uitstroom creëren, waardoor een groot deel van het stellaire materiaal wordt verdreven voordat het in het zich vormende zwarte gat kan vallen. Dit proces vermindert de uiteindelijke massa en duwt deze in de voorheen ontoegankelijke massakloof.
“We hebben aangetoond dat als de ster snel ronddraait, hij een accretieschijf rond het nieuw geboren zwarte gat vormt. Sterke magnetische velden die binnen deze schijf worden gegenereerd, kunnen krachtige uitstromen veroorzaken die een deel van het stellaire materiaal verdrijven, waardoor wordt voorkomen dat dit in het zwarte gat valt.” – Ore Gottlieb, Centrum voor Computationele Astrofysica
De simulatie koppelde ook de uiteindelijke massa en spin van het zwarte gat aan de sterkte van zijn magnetische veld. Sterkere velden stoten meer materiaal uit, wat resulteert in een langzamer draaiend overblijfsel met een lagere massa. Zwakkere velden zorgen voor een groter massabehoud, waardoor zwaardere, sneller draaiende zwarte gaten ontstaan. De eigenschappen afgeleid uit GW231123 komen perfect overeen met dit model, wat suggereert dat het ene zwarte gat gevormd werd in een ster met matig magnetisme, terwijl het andere uit een zwakker veld kwam.
Implicaties voor de zwaartekracht en de kosmische geschiedenis
Deze ontdekking heeft diepgaande gevolgen. Extreme gebeurtenissen zoals GW231123 drijven Einsteins algemene relativiteitstheorie tot het uiterste en bieden een proeftuin voor de theorie in de meest extreme zwaartekrachtomgevingen. Het vermogen om dergelijke samensmeltingen waar te nemen via zwaartekrachtgolven – rimpelingen in de ruimtetijd – biedt een uniek venster op het universum waar zelfs licht niet kan ontsnappen.
Bovendien suggereren de nieuwe bevindingen dat zwarte gaten zich mogelijk efficiënter kunnen vormen dan eerder werd gedacht. Als dit mechanisme gangbaar was in het vroege heelal, zou het kunnen verklaren hoe de eerste generatie sterren en zwarte gaten de superzware zwarte gaten hebben voortgebracht die tegenwoordig in de centra van sterrenstelsels worden aangetroffen.
Wat is het volgende?
Het werk van het team voorspelt dat toekomstige zwaartekrachtgolfdetecties een duidelijke correlatie tussen de massa van zwarte gaten en spin zullen onthullen. Naarmate er meer massieve dubbelsterren met zwarte gaten worden ontdekt, zullen wetenschappers testen of deze relatie geldt voor een grotere populatie. Als dit wordt bevestigd, kan dit het nieuwe vormingstraject valideren en een verborgen populatie van enorme, snel draaiende zwarte gaten blootleggen. De botsing van GW231123 is mogelijk slechts het eerste teken van een nieuw tijdperk in het onderzoek naar zwarte gaten.
