Aan de ene kant heb je gigantische superzware zwarte gaten en aan de andere kant piepkleine deeltjes van donkere materie. Die blijken een verrassende link te hebben, waarmee een al lang bestaand probleem in de astronomie eindelijk wordt opgelost.
Het begon allemaal in 2023 met de ontdekking van een gebrom van zwaartekrachtgolven in de ruimte. Zwaartekrachtgolven zijn fluctuaties in de kromming van de ruimtetijd, waarvan het bestaan voor het eerst in 2015 werd bevestigd. Dit doordringende achtergrondsignaal zou afkomstig zijn van miljoenen samensmeltende paren van superzware zwarte gaten. Om je een idee te geven: elk superzwaar zwart gat is miljarden keren zwaarder dan onze zon.
Het final parsec-probleem
Het probleem met deze theorie is dat simulaties aantoonden dat als paren van deze kolossale zwarte gaten dichter naar elkaar toe draaien, hun toenadering plots stopt op een parsec afstand. Een parsec is ruim drie lichtjaar. Daardoor kan de samensmelting dus niet plaatsvinden. Dit wordt het ‘final parsec-probleem’ genoemd: alle theorieën en waarnemingen lopen spaak door die laatste parsec.
Dit probleem conflicteert niet alleen met de theorie dat samensmeltende superzware zwarte gaten de bron zijn van de achtergrondruis van zwaartekrachtgolven, maar het druist ook in tegen het idee dat supermassieve zwarte gaten steeds groter worden door de samensmelting met minder grote zwarte gaten.
Donkere materie
Dus hoe dat op te lossen? Hier komt de donkere materie in de bocht. De zwarte gaten kunnen die laatste parsec overbruggen en tóch samensmelten door een eigenschap van donkere materiedeeltjes die eerder over het hoofd is gezien.
Superzware zwarte gaten bevinden zich vermoedelijk in het centrum van de meeste sterrenstelsels. Als twee stelsels botsen komen de zwarte gaten in een baan om elkaar. Terwijl ze om elkaar heen draaien, trekt de zwaartekracht van nabijgelegen sterren aan ze waardoor ze vertragen en naar een samensmelting toe bewegen.
Toch een samensmelting
Eerdere modellen toonden aan dat wanneer de superzware zwarte gaten elkaar naderen tot een parsec, ze beginnen te interacteren met de donkere materiewolk waarin ze zich bevinden. De zwaartekracht van de om elkaar heen draaiende superzware zwarte gaten gooit donkere materiedeeltjes uit het systeem. De schaarste aan donkere materie die zo ontstaat, heeft tot gevolg dat er geen energie wordt onttrokken aan het paar zwarte gaten en hun onderlinge banen niet langer kleiner worden. Zo bleven ze dus op die parsec afstand van elkaar en konden ze niet samensmelten.
Nu blijkt dat de astronomen iets over het hoofd hebben gezien. In het nieuwe model tonen ze aan dat de donkere materiedeeltjes op een dusdanige manier met elkaar interacteren dat ze niet verspreid worden en de dichtheid van de donkere materiehalo hoog genoeg blijft. Daardoor gaat de interactie tussen de deeltjes en de zwarte gaten door en blijft de baan van de gaten krimpen tot ze wel degelijk samensmelten.
“De mogelijkheid dat donkere materiedeeltjes met elkaar interacteren is een aanname die we hebben gedaan, een extra ingrediënt dat niet alle donkere materiemodellen bevatten”, zegt onderzoeker Gonzalo Alonso-Álvarez van de McGill University. “Ons argument is dat alleen modellen met dat ingrediënt het final parsec-probleem kunnen oplossen.”
Kijkje in de aard van donkere materie
Naast inzicht in de samensmeltingen van zwarte gaten en het achtergrondsignaal van zwaartekrachtgolven, biedt het nieuwe resultaat ook een kijkje in de aard van donkere materie. “Ons werk is een nieuwe manier om ons te helpen de deeltjes waar donkere materie uit bestaat beter te begrijpen”, zegt Alonso-Álvarez. “We ontdekten dat de loop van de baan van zwarte gaten zeer gevoelig is voor donkere materie. Dat betekent dat we waarnemingen van samensmeltingen kunnen gebruiken om meer inzicht te krijgen in deze deeltjes.”
Zo kwamen de onderzoekers er bijvoorbeeld achter dat de interactie tussen donkere materiedeeltjes zoals die uit hun model bleek, ook de vorm van veel grotere galactische halo’s van donkere materie kan verklaren. “We weten nu dat het final parsec-probleem alleen kan worden opgelost als donkere materiedeeltjes met een snelheid interacteren die de verdeling van donkere materie op galactische schaal kan veranderen. Dit was onverwacht omdat de fysische schalen waarop de processen plaatsvinden drie of meer ordes van grootte uit elkaar liggen”, klinkt het tot besluit.
