Mysterieus object smelt samen met zwart gat: ofwel 'te zware' neutronenster of 'te licht' zwart gat

Als de zwaarste sterren aan het einde van hun leven zijn gekomen en geen brandstof meer hebben om om te zetten, storten ze in door hun eigen zwaartekracht en blijven er zwarte gaten over. Als sterren met iets minder massa sterven, ontploffen ze in een supernova en laten ze erg compacte, dode overblijfselen van sterren achter die neutronensterren genoemd worden. 

Astronomen worstelen al tientallen jaren met een kloof die er ligt tussen neutronensterren en zwarte gaten: de zwaarste neutronenster die we kennen, is niet zwaarder dan 2,5 keer de massa van de zon, en het lichtste zwarte gat dat we kennen, is zo'n 5 zonnemassa's zwaar. De vraag is dan ook, ligt er iets in deze zogenoemde massakloof?

Nu hebben wetenschappers in een studie van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) van de Amerikaanse National Science Foundation en de Europese Virgo detector in Italië de ontdekking aangekondigd van een object van 2,6 zonnemassa's, dat dus mooi in de massakloof ligt. 

Het object werd gevonden op 14 augustus 2019 toen het samensmolt met een zwart gat van 23 zonnemassa's, wat een reeks zwaartekrachtgolven veroorzaakte die op aarde werden opgevangen door LIGO en Virgo. 

"Eens te meer legt de waarneming van zwaartekrachtgolven het onbekende bloot", zei Giovanni Losurdo, de woordvoerder van de Virgo Collaboration. "Het lichtste object in dit systeem heeft een massa die nog nooit eerder is waargenomen."

"We wachten al tientallen jaren op de oplossing van dit mysterie", zei mede-auteur van de studie Vicky Kalogera, een professor aan de Amerikaanse Northwestern University. "We weten niet of dit object de zwaarste bekende neutronenster is, of het lichtste bekende zwarte gat, maar hoe dan ook breekt het een record."

"Dit gaat de manier veranderen waarop wetenschappers spreken over neutronensterren en zwarte gaten', zei mede-auteur Patrick Bradt. "Het zou kunnen dat de massakloof in feite helemaal niet bestaat, maar te wijten was aan de beperkingen van onze waarnemingscapaciteiten. De tijd en meer waarnemingen zullen het uitwijzen." Bradt is professor aan de University of Wisconsin en de woordvoerder van de LIGO Scientific collaboration.    

De kosmische samensmelting die in de studie beschreven wordt, kreeg de naam GW190814 en resulteerde in een zwart gat met zo'n 25 zonnemassa's. Een deel van de massa van de twee samensmeltende objecten werd omgezet in een stoot van energie in de vorm van zwaartekrachtgolven, vandaar dat het nieuwe zwarte gat een kleinere massa heeft dan de som van de massa's van het zwarte gat (23 zonnemassa's) en het mysterieuze object (2,6 zonnemassa's). Het zwarte gat ligt op zo'n 800 miljoen lichtjaar van de aarde.

Voor de twee objecten samensmolten, verschilden hun massa's met een factor 9, het zwarte gat was zo'n 9 keer zwaarder dan het andere object. Dat is de meest extreme verhouding die ooit is waargenomen voor een gebeurtenis die zwaartekrachtgolven heeft veroorzaakt. 

Een andere recente gebeurtenis die door LIGO-Virgo werd bekendgemaakt, GW190412, vond plaats tussen twee zwarte gaten met een massaverhouding van zo'n 4 tegen 1.

"Het is een uitdaging voor de huidige theoretische modellen om samensmeltende paren te vormen van compacte objecten met zo'n grote massaverhouding, waarbij de partner met de kleinste massa in de massakloof ligt", zei Vicky Kalogera. "Deze ontdekking impliceert dat deze gebeurtenissen veel vaker plaatsvinden dan we voorspeld hadden, wat dit object met de lage massa erg intrigerend maakt."

"Het mysterieuze object zou een neutronenster kunnen zijn die samensmelt met een zwart gat, een opwindende mogelijkheid die we theoretisch gezien wel verwachtten, maar nog niet bevestigd hebben door waarnemingen. Met een massa van 2,6 keer die van onze zon overtreft het echter de moderne voorspellingen voor de maximale massa van neutronensterren, en het zou dus in de plaats daarvan het lichtste zwarte gat kunnen zijn dat we ooit gevonden hebben."

Toen de wetenschappers van LIGO en Virgo de samensmelting opmerkten, verwittigden ze onmiddellijk de astronomische gemeenschap. Tientallen telescopen op aarde en in de ruimte zochten naar lichtgolven die door de samensmelting zouden opgewekt kunnen zijn, maar geen enkele telescoop vond een signaal. 

Tot nu toe is nog maar een keer de tegenhanger in licht van zwaartekrachtgolf-signalen gezien, bij een gebeurtenis die GW170817 genoemd werd. Die gebeurtenis, die in augustus 2017 door het LIGO-Virgo-netwerk werd ontdekt, was een vurige botsing tussen twee neutronensterren die vervolgens gezien werd door tientallen telescopen op aarde en in de ruimte. 

Botsingen tussen neutronensterren zijn chaotische gebeurtenissen waarbij materie naar alle kanten in de ruimte wordt geslingerd, en er wordt dan ook van verwacht dat ze licht laten schijnen. Van samensmeltingen van zwarte gaten daarentegen wordt in de meeste gevallen niet gedacht dat ze licht produceren. 

Volgens de wetenschappers van LIGO en Virgo zijn er een aantal mogelijke oorzaken waarom de gebeurtenis van augustus 2019 niet gezien werd door lichttelescopen. 

Ten eerste vond deze gebeurtenis 6 keer verder plaats dan de samensmelting uit 2017, wat het moeilijker maakt om lichtsignalen op te vangen. Ten tweede, als het ging om de botsing van 2 zwarte gaten, zou dat waarschijnlijk geen licht geproduceerd hebben. Ten derde, als het object toch een neutronenster was, zou het 9 keer zwaardere zwarte gat die in haar geheel hebben kunnen opslokken. Een neutronenster die in haar geheel wordt opgenomen door een zwart gat zou geen licht afgeven. 

"Ik denk aan Pacman die een klein vlekje opeet", zei Kalogera. "Als er een grote asymmetrie zit tussen de massa's, kan de kleinere neutronenster in één beet opgegeten worden."

Hoe zullen de onderzoekers ooit te weten komen of het mysterieuze object een neutronenster was of een zwart gat? Toekomstige waarnemingen met LIGO, Virgo en mogelijk andere telescopen zouden gelijkaardige gebeurtenissen kunnen opvangen, die dan kunnen helpen aan te tonen of er nog andere objecten voorkomen in de massakloof. 

"Dit is de eerste glimp die we opvangen van wat een totaal nieuwe populatie van compacte binaire objecten zou kunnen zijn", zei Charlie Hoy, een lid van de LIGO Scientific Collaboration en een afgestudeerd student aan de Cardiff University. "Wat echt opwindend is, is dat dit nog maar het begin is. Naarmate de detectoren meer en meer gevoelig worden, zullen we nog meer van deze signalen observeren, en we zullen in staat zijn om de populaties van neutronensterren en zwarte gaten in het universum precies vast te leggen."

"De massakloof is gedurende tientallen jaren een interessant raadsel geweest, en nu hebben we een object gevonden dat er net in past", zei Pedro Marronetti, de programmadirecteur voor zwaartekrachtfysica van de Amerikaanse National Science Foundation. 

"Dit kan niet verklaard worden zonder dat het een uitdaging vormt voor ons begrip van extreem dichte materie of voor wat we weten over de evolutie van sterren. Deze waarneming is nog maar eens een voorbeeld van het transformerend potentieel van het vakgebied van de zwaartekrachtgolf-astronomie, dat nieuwe inzichten aan het licht brengt met elke nieuwe waarneming", zo zei Marronetti.

De studie, waaraan ook onderzoekers van de Université de Liège, de Université Catholique de Louvain en de Université Libre de Bruxelles hebben deelgenomen, is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de LIGO Scientific Collaboration en een telex van AFP. 

Een video van het Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) met een visualisering van de samensmelting van de twee objecten.