Beeld van een Wolf Rayet ster – mogelijk voordat hij instort in een zwart gat. ESO/L. Calçada, CC BY-SA
Astronomen trekken steeds meer het gordijn van zwarte gaten open. De afgelopen jaren hebben we eindelijk foto’s kunnen maken van deze angstaanjagende wezens en hebben we de gravitatiegolven kunnen meten – rimpelingen in de ruimtetijd – die ze veroorzaken als ze botsen. Maar er is nog veel dat we niet weten over zwarte gaten. Een van de grootste raadsels is hoe ze überhaupt ontstaan.
Mijn collega’s en ik denken nu dat we dit proces hebben waargenomen, waarmee we een van de beste aanwijzingen tot nu toe hebben gegeven over wat er precies gebeurt wanneer een zwart gat wordt gevormd. Onze resultaten zijn gepubliceerd in twee artikelen in Nature en het Astrophysical Journal.
Astronomen denken, zowel op grond van waarnemingen als op theoretische gronden, dat de meeste zwarte gaten ontstaan wanneer het centrum van een massieve ster aan het eind van zijn leven ineenstort. De kern van de ster zorgt normaal gesproken voor druk, of ondersteuning, door hitte van intense kernreacties te gebruiken. Maar zodra de brandstof van zo’n ster op is en de kernreacties stoppen, storten de binnenste lagen van de ster onder de zwaartekracht naar binnen en storten in tot buitengewone dichtheden.
Eerste beeld van een zwart gat.
Event Horizon Telescope samenwerking et al.
Meestal wordt deze catastrofale ineenstorting gestopt wanneer de kern van de ster condenseert tot een vaste bol van materie, rijk aan deeltjes die neutronen worden genoemd. Dit leidt tot een krachtige terugkaatsexplosie die de ster vernietigt (een supernova), en een exotisch object achterlaat dat bekend staat als een neutronenster. Maar modellen van stervende sterren laten zien dat als de oorspronkelijke ster massief genoeg is (40-50 keer de massa van de zon), de ineenstorting gewoon onverminderd doorgaat totdat de ster is verpletterd tot een gravitationele singulariteit – een zwart gat.
Explosieve theorieën
Terwijl sterren die ineenstorten om neutronensterren te vormen nu routinematig in het heelal worden waargenomen (supernovaonderzoeken vinden elke nacht tientallen nieuwe), zijn astronomen er nog niet helemaal zeker van wat er gebeurt tijdens de ineenstorting tot een zwart gat. Sommige pessimistische modellen suggereren dat de hele ster zou worden opgeslokt zonder veel sporen na te laten. Anderen stellen voor dat de ineenstorting tot een zwart gat een ander soort explosie zou veroorzaken.
Bijvoorbeeld, als de ster roteert op het moment van de ineenstorting, kan een deel van het instromende materiaal worden gebundeld in stralen die met hoge snelheid aan de ster ontsnappen. Hoewel deze stralen niet veel massa zouden bevatten, zouden ze wel een grote klap uitdelen: als ze ergens tegenaan botsen, zouden de effecten dramatisch kunnen zijn in termen van de energie die vrijkomt.
Tot nu toe was de beste kandidaat voor een explosie als gevolg van de geboorte van een zwart gat het vreemde verschijnsel dat bekend staat als langdurende gammastraaluitbarstingen. Deze gebeurtenissen, die voor het eerst in de jaren zestig door militaire satellieten werden ontdekt, zouden het gevolg zijn van straalstromen die tot verbijsterende snelheden worden versneld door nieuw gevormde zwarte gaten in instortende sterren. Een al lang bestaand probleem met dit scenario is echter dat gammastraaluitbarstingen ook een overvloedig radioactief puin uitstoten dat nog maandenlang blijft schijnen. Dit suggereert dat het grootste deel van de ster naar buiten de ruimte in is geëxplodeerd (zoals bij een gewone supernova), in plaats van naar binnen in te storten tot een zwart gat.
Hoewel dit niet betekent dat er bij zo’n explosie geen zwart gat kan zijn gevormd, hebben sommigen geconcludeerd dat andere modellen een natuurlijker verklaring bieden voor gammastraaluitbarstingen dan het ontstaan van een zwart gat. Bijvoorbeeld, een supergemagnetiseerde neutronenster zou in zo’n explosie kunnen ontstaan en zelf krachtige jets produceren.
Mysterie opgelost?
Mijn collega’s en ik hebben echter onlangs een nieuwe en (in onze ogen) veel betere kandidaat-gebeurtenis ontdekt voor het ontstaan van een zwart gat. Bij twee afzonderlijke gelegenheden in de afgelopen drie jaar – een keer in 2019 en een keer in 2021 – waren we getuige van een uitzonderlijk snel en vluchtig type explosie dat, net als bij gammastraaluitbarstingen, ontstond uit een kleine hoeveelheid zeer snel bewegend materiaal dat tegen gas in zijn directe omgeving knalde.
Met behulp van spectroscopie – een techniek die licht in verschillende golflengtes opsplitst – konden we voor elk van deze gebeurtenissen de samenstelling van de ontplofte ster afleiden. We ontdekten dat het spectrum sterk leek op dat van zogenaamde “Wolf-Rayet sterren” – een zeer massief en sterk geëvolueerd type ster, genoemd naar de twee astronomen, Charles Wolf en Georges Rayet, die ze voor het eerst ontdekten. Het is opwindend dat we zelfs een “normale” supernova-explosie hebben kunnen uitsluiten. Zodra de botsing tussen het snelle materiaal en zijn omgeving ophield, verdween de bron praktisch – in plaats van nog lange tijd te gloeien.
Dit is precies wat je zou verwachten als de ster tijdens de ineenstorting van zijn kern slechts een kleine hoeveelheid materiaal heeft uitgestoten, waarbij de rest van het object naar beneden stortte tot een enorm zwart gat.
De nieuwe studie heeft twee gebeurtenissen waargenomen die tot een derde soort explosie kunnen behoren, die slechts een korte tijd duurt.
Credit: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
Hoewel dit onze favoriete interpretatie is, is het niet de enige mogelijkheid. De meest prozaïsche mogelijkheid is dat het een normale supernova-explosie was, maar dat zich bij de botsing een enorme stofmantel heeft gevormd die de radioactieve brokstukken aan het zicht heeft onttrokken. Het is ook mogelijk dat de explosie van een nieuw en onbekend type is, afkomstig van een ster die we niet kennen.
Om deze vragen te beantwoorden, zullen we naar meer van dit soort objecten moeten zoeken. Tot nu toe waren dit soort explosies moeilijk te bestuderen omdat ze vluchtig zijn en moeilijk te vinden. Om deze explosies te karakteriseren moesten we snel na elkaar verschillende observatoria gebruiken: de Zwicky Transient Facility om ze te ontdekken, de Liverpool Telescope en de Nordic Optical Telescope om hun aard te bevestigen, en grote observatoria met hoge resolutie (de Hubble Space Telescope, Gemini Observatory, en de Very Large Telescope) om hun samenstelling te analyseren.
Hoewel we aanvankelijk niet precies wisten wat we zagen toen we deze gebeurtenissen voor het eerst ontdekten, hebben we nu een duidelijke hypothese: de geboorte van een zwart gat.
Meer gegevens van soortgelijke gebeurtenissen kunnen ons binnenkort helpen deze hypothese te verifiëren of te falsifiëren en het verband te leggen met andere soorten ongewone, snelle explosies die ons team en anderen hebben gevonden. Hoe dan ook, het lijkt erop dat dit echt het decennium is waarin we de mysteries van zwarte gaten gaan ontrafelen.
Daniel Perley werkt niet voor, geeft geen advies aan, heeft geen aandelen in, en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat hebben bij dit artikel, en heeft buiten zijn academische aanstelling geen andere relevante banden bekend gemaakt.
