Een zwart gat dat net was ontstaan uit een botsing van twee kleinere exemplaren, schoot vervolgens het heelal in met een snelheid van zo’n 5 miljoen kilometer per uur.
‘Gewone’ zwarte gaten ontstaan als een zware ster door zijn brandstof heen is en als supernova explodeert. Maar zo’n zwart gat kan niet onbeperkt zwaar worden. Volgens astrofysici ligt de bovengrens bij een gat dat zo’n 45 keer zo zwaar is als onze zon. Toch blijken er zwaardere gaten te zijn. Hoe zijn die ontstaan, is dan de vraag? Mogelijk doordat zwarte gaten uit sterren samengaan tot zwaardere gaten, die op hun beurt samengaan tot nóg zwaardere gaten, enzovoort.
Maar dan moeten die gaten niet met een rotgang wegschieten uit hun omgeving, zo gauw ze ontstaan zijn. En dat is nou precies wat een begin 2020 waargenomen zwart gat wél doet, schrijven Vijay Varma van het Max Planck-instituut voor zwaartekrachtsfysica in Duitsland en collega’s in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.
Afgekapte beweging
Van het zwarte gat in kwestie pikten de detectoren LIGO en Virgo op 29 januari 2020 zwaartekrachtsgolven op; trillingen in de ruimtetijd die zich met de lichtsnelheid door het heelal verspreiden. Uit analyses bleek vervolgens dat deze zwaartekrachtsgolven duiden op twee samensmeltende zwarte gaten met wat astronomen een hoge precessie noemen.
Wat dat wil zeggen? Stel je de twee zwarte gaten voor als twee om hun as draaiende objecten die in één plat vlak naar elkaar toe bewegen. Staan de draaiingsassen van beide gaten loodrecht op dat vlak? Dan is er geen precessie. Wijzen de assen een andere kant op? Dan is er wel precessie.
Bij zo’n samensmelting, legt Varma per mail uit, gaat het massamiddelpunt van de twee zwarte gaten op en neer bewegen terwijl de gaten naar elkaar toe bewegen. “Als ze samensmelten, wordt die op en neer gaande beweging van het massamiddelpunt afgekapt. Het ontstane zwarte gat krijgt daardoor een snelheid. Daarbij geldt, kort door de bocht: hoe groter de precessie, des te sterker de op en neer gaande beweging en des te groter die snelheid.” In dit geval bleek die snelheid een whopping 5,5 miljoen kilometer per uur.
Animatie van de samensmelting door Vijay Varma en Max Isi:
Honderden simulaties
Maar hoe leidt je dan uit zwaartekrachtsgolven af dat er sprake is van een hoge precessie, en dat het ontstane zwarte gat een bepaalde snelheid heeft? “We stellen vast of er precessie is door het waargenomen signaal te vergelijken met een zwaartekrachtsgolf die is voorspeld door een model”, zegt Varma. “Daarbij variëren we de massa en de richtingen van de assen van de zwarte gaten net zolang totdat we de best passende golf hebben gevonden.” Als je op die manier eenmaal hebt bepaald met wat voor samensmeltende zwarte gaten je te maken had vóór de botsing, kun je vervolgens met een ander model de snelheid van het ontstane gat ná de botsing bepalen – de kick velocity.
“Voor zulke procedures heb je wel goed kloppende modellen nodig”, vervolgt Varma. “Daarvoor moet je simulaties doen waarbij de vergelijkingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie worden opgelost. Onze modellen zijn gebaseerd op honderden van zulke simulaties. Daardoor vangen ze de onderliggende natuurkunde heel goed – wat cruciaal is om de uiteindelijke snelheid goed te kunnen bepalen.”
Nieuwe deeltjes
Varma en collega’s berekenden ook hoe groot de kans is dat een zwart gat met zo’n snelheid deel blijft uitmaken van de groep sterren waar hij oorspronkelijk toe behoorde. Bevindt het zich in een zogenoemde bolvormige sterrenhoop, dan is die kans minder dan een half procent (oftewel: een op de tweehonderd). In een ander type sterrengroep is die kans groter – 7 procent – maar ook daar geldt dus: een zwart gat dat zó snel door het heelal spoedt, laat waarschijnlijk zijn buren achter. Dat maakt de kans klein dat het vervolgens samensmelt met een ander zwart gat uit de regio tot een nóg zwaarder zwart gat.
Nu kun je niet zomaar algemene conclusies trekken uit één enkele waarneming, zegt Varma. “Maar als samensmeltingen zoals deze de norm zijn, dan zijn de zwaarste zwarte gaten die we tot nu toe hebben gezien mogelijk niet ontstaan door een opeenvolgende reeks van samensmeltingen.” Dat zou interessant zijn, want dan moet er iets anders zijn dat zulke zware zwarte gaten laat vormen. Sommige theoretici denken dan bijvoorbeeld aan nieuwe deeltjes, zoals axionen of donkere fotonen.
Afwachten
Voor nu is het vooral zaak om van méér uit samensmeltingen ontstane zwarte gaten de snelheid te bepalen. Helaas zullen de waarnemingen van zwaartekrachtsgolven tot nu toe daar niet bij kunnen helpen. “We hebben ze allemaal gecheckt en alleen uit deze ene konden we de snelheid halen”, zegt Varma. “We zullen dus moeten afwachten.”
