Zwarte gaten blijven de meest mysterieuze objecten in ons universum. Onderzoekers hebben nu zelfs het geluid van twee samensmeltende zwarte gaten vastgesteld. En daar is iets opmerkelijks mee aan de hand: volgens de astronomen ontstaat het geluid in deze ‘oceaan van stemmen’ bij voorkeur in twee universele frequenties. Vandaar dat ze spreken van een universeel geluid.
Het begint allemaal met de ontdekking van zwaartekrachtgolven in 2015. Dit zijn fluctuaties in de kromming van de ruimtetijd, een theorie die Einstein honderd jaar geleden al bedacht. Het leidde tot een Nobelprijs én tot het begin van de zwaartekrachtgolfastronomie. Als twee zwarte gaten, die uit stellaire massa bestaan, samenkomen, zenden ze zwaartekrachtgolven uit met een toenemende frequentie. Dit is het geluid dat we kunnen ‘horen’ op Aarde. Door de toenemende frequentie van het geluid te observeren, kunnen wetenschappers de zogenoemde ‘geluidsmassa’ afleiden, een wiskundige combinatie van de twee afzonderlijke massa’s van de zwarte gaten.
Universele massa
Tot nu toe werd aangenomen dat samensmeltende zwarte gaten allerlei verschillende massa’s kunnen hebben. Maar de nieuwe modellen laten zien dat sommige zwarte gaten een standaardmassa hebben, die een universeel geluid produceren. “Het bestaan van universele geluidsmassa’s maakt niet alleen duidelijk hoe zwarte gaten zich vormen”, vertelt hoofdonderzoeker Fabian Schneider van het Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS). “Maar het kan ook worden gebruikt om af te leiden welke sterren zullen exploderen tot supernova’s.” Daarnaast leidt het tot inzichten in het mechanisme achter supernova’s, in de nucleaire en stellaire fysica en biedt het een nieuwe manier om de versnelde uitdijing van het heelal te meten. Tot nu toe zijn er zo’n zeventig van zulke geluiden gevonden.
Geen supernova, maar zwart gat
Maar wat zijn zwarte gaten van stellaire massa? Ze ontstaan als zware sterren – met drie tot honderd keer de massa van onze zon – onder hun eigen zwaartekracht instorten. Daarmee vormen ze het eindpunt van deze megasterren, die niet exploderen in supernova’s, maar instorten tot zwarte gaten.
De voorgangers van de zwarte gaten, die leiden tot de fusies, zijn oorspronkelijk geboren in binaire sterrenstelsels, waarbij twee sterren om een gezamenlijk zwaartepunt draaien, en maken verschillende episodes door waarin er massa wordt uitgewisseld. Meer precies zijn beide zwarte gaten afkomstig van sterren waarvan de schil van gas is verdwenen. “Het strippen van de schil heeft grote consequenties voor het uiteindelijke lot van de sterren. Het maakt het bijvoorbeeld makkelijker voor de sterren om te exploderen tot een supernova en het leidt ook tot universele massa’s van zwarte gaten, zoals nu voorspeld door onze simulaties”, zegt onderzoeker Philipp Podsiadlowski van Oxford University.
Niets tussenin
Het lijkt echter alsof er een kloof is tussen de distributie van de geluidsmassa’s van samensmeltende binaire zwarte gaten en het bewijs dat is geleverd voor het bestaan van pieken bij ongeveer acht tot veertien keer de massa van de zon. Deze kenmerken komen overeen met de universele geluiden die zijn voorspeld door de onderzoekers. “Elk kenmerk van de distributie van zwarte gaten en geluidsmassa’s kan ons veel vertellen over hoe deze objecten zijn gevormd”, zegt onderzoeker Eva Laplace.
Sinds de eerste ontdekking van samensmeltende zwarte gaten, werd duidelijk dat er zwarte gaten zijn met een veel grotere massa dan die in ons Melkwegstelsel. Dat komt doordat deze zwarte gaten afkomstig zijn van sterren met een andere chemische samenstelling dan die in onze Melkweg. De onderzoekers is het nu gelukt om aan te tonen dat, ongeacht die samenstelling, sterren die hun schil kwijtraken in een binair stelsel zwarte gaten vormen die kleiner dan negen keer of groter dan zestien keer de massa van de zon zijn, maar dat er bijna niets tussenin zit.
Universele frequentie
In samensmeltende zwarte gaten impliceert de universele massa van negen en zestien keer de massa van de zon logischerwijs een universeel geluid volgens de onderzoekers. “Toen ik mijn lezing over zwaartekrachtgolven updatete, realiseerde ik me dat er voor het eerst hints zijn gevonden van de afwezigheid van universele geluiden én van een overvloed ervan bij de universele massa’s die zijn voorspeld door onze modellen”, aldus Schneider.
“Omdat er nog steeds maar weinig samensmeltingen van zwarte gaten zijn waargenomen, is niet duidelijk of dit signaal in de data enkel een statistische toevalstreffer is of niet.”
Dat zullen toekomstige observaties van zwaartekrachtgolven moeten uitwijzen, maar hoe dan ook, zijn de resultaten bijzonder en helpen ze wetenschappers om te bepalen waar deze geluiden van zwarte gaten vandaan komen.
