Zwarte gaten zijn er in alle soorten en maten. Nou ja, bijna. Er is een specifieke gewichtsklasse waarin ze helemaal niet lijken voor te komen. Door een nieuwe studie begrijpen wetenschappers nu beter waarom dat zo is.
Zwarte gaten ontstaan wanneer zeer zware sterren aan het einde van hun leven instorten onder hun eigen zwaartekracht. Hoe zwaarder de ster, hoe zwaarder het zwarte gat. Volgens de sterrenkundige theorie bestaat er echter een gewichtsklasse, ruwweg tussen de 50 en 130 keer de massa van onze zon, waarin zwarte gaten niet zouden mogen voorkomen.
Sterren in deze gewichtsklasse komen aan hun einde door een bijzonder krachtig type explosie. In hun kern wordt het zo heet dat fotonen spontaan kunnen veranderen in paren van materie en antimaterie. Daardoor verliest de ster plotseling druk, stort hij in en volgt een explosie waarbij er uiteindelijk niets overblijft.
Hierdoor zou er een ‘gat’ in de verdeling van zwarte gaten moeten zijn: zwarte gaten met een massa tot ongeveer 50 zonsmassa’s en vanaf zo’n 130 zonsmassa’s komen wel voor, maar daartussen zou het leeg moeten zijn.
Niets gevonden na jarenlang zoeken
Die voorspelling bestaat al sinds de jaren zestig, maar het bewijs bleef tot nu toe uit. Zwaartekrachtsgolfdetectoren als LIGO, Virgo en KAGRA meten sinds 2015 botsingen tussen zwarte gaten en onderzoekers hebben lang getuurd naar de massa’s van de gevonden zwarte gaten.
In eerste instantie leek er een duidelijke bovengrens te liggen rond 45 zonsmassa’s. Later werden echter ook zwaardere zwarte gaten gevonden, waardoor het beeld minder duidelijk werd en de ontbrekende massazone in de verdeling niet zichtbaar leek.
Onderzoekers hebben nu een verklaring gevonden die laat zien dat de voorspelling alsnog overeind kan blijven. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het vakblad Nature.
Leestip: Zwart gat blaast kosmische superstorm met krankzinnige snelheden de ruimte in
Kijk naar de lichtste partner
Bij elke botsing tussen twee zwarte gaten meten detectoren de massa van beide partners. Eentje is altijd de zwaarste (de ‘primaire’), de andere de lichtste (de ‘secundaire’). Alle eerdere analyses zochten in de verdeling van massa’s van de primaire partners. Daar was de lege zone inderdaad niet te vinden.
Maar toen de onderzoekers naar de verdeling van de líchtste partners keken, was de kloof er ineens wel. Onder de 45 zonsmassa’s waren er talloze zwarte gaten. Boven de 116 zonsmassa’s ook. Daartussenin was er vrijwel niets te vinden.
Waarom vooral bij de lichtste gaten?
De verklaring ligt bij een fenomeen dat ‘hiërarchische samensmelting’ heet. Soms botsen twee zwarte gaten en smelten ze samen tot één nieuw, zwaarder zwart gat. Dat fusieproduct kan vervolgens opnieuw met een ander zwart gat botsen.
Zo’n tweedegeneratie-zwart gat kan wel in de ’verboden zone’ belanden, want het is niet direct uit een stervende ster ontstaan maar uit een eerdere botsing.
Maar zo’n samensmelting is zeldzaam. En dat er twee tweedegeneratie-zwarte gaten samenkomen, is nog veel zeldzamer. Wat je in de praktijk dus ziet is dat de zwaarste partner in een botsing best binnen het ontbrekende bereik kan zitten (want dat is het fusieproduct), maar de lichtste partner is bijna altijd een ‘gewoon’ eerstegeneratie-zwart gat. En die kan de verboden zone niet bereiken. Vandaar dat het fenomeen alleen opduikt als je naar de lichtste partners kijkt.
Extra bewijs
Het team vond nog een onafhankelijke aanwijzing die deze verklaring kracht bijzet. Zwarte gaten die uit een eerdere samensmelting zijn ontstaan, zouden snel moeten rondtollen; ze erven als het ware het impulsmoment van hun voorganger. Botsende zwarte gaten waarvan de zwaarste partner boven de 44 zonsmassa’s zit, draaien inderdaad veel sneller dan hun lichtere tegenhangers. De massagrens waarop die omslag plaatsvindt, valt samen met de onderrand van het gat in de massaverdeling.
Twee totaal verschillende eigenschappen (massa en draaisnelheid) wijzen dus onafhankelijk van elkaar naar dezelfde conclusie.
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
