Het meten van de massa van een zwart gat is niet eenvoudig. Een nieuwe techniek zou dat kunnen veranderen

Een actief voedend zwart gat omringt zichzelf met een schijf van heet gas en stof dat flikkert als een kampvuur. Astronomen hebben nu ontdekt dat het volgen van veranderingen in die flikkeringen iets kan onthullen dat notoir moeilijk te meten is: het gewicht van de kolos.

“Het is een nieuwe manier om zwarte gaten te wegen”, zegt astronoom Colin Burke van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. Wat meer is, de methode kan worden gebruikt op: elk astrofysisch object met een accretieschijf, en kan zelfs helpen bij het vinden van ongrijpbare middelgrote zwarte gaten, rapporteren onderzoekers in de 13 augustus Wetenschap.

Het is niet eenvoudig om de massa van een zwart gat te meten. Om te beginnen zijn de donkere kolossen notoir moeilijk te zien. Maar soms openbaren zwarte gaten zichzelf wanneer ze eten. Terwijl gas en stof in een zwart gat vallen, wordt het materiaal georganiseerd in een schijf die wordt verwarmd tot zeer hete temperaturen en in sommige gevallen alle sterren in de melkweg samen kan overtreffen.

Het meten van de diameter van het zwarte gat kan zijn massa onthullen met behulp van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Maar alleen de wereldomspannende Event Horizon Telescope heeft dit soort metingen gedaan, en tot nu toe voor slechts één zwart gat (SN: 22-04-19). Andere zwarte gaten zijn gewogen via waarnemingen van hun invloed op het materiaal om hen heen, maar dat kost veel gegevens en werkt niet voor elk superzwaar zwart gat.

Dus, op zoek naar een andere manier, wendden Burke en collega’s zich tot accretieschijven. Astronomen weten niet precies hoe de schijven van zwarte gaten flikkeren, maar het lijkt erop dat kleine veranderingen in het licht samen de hele schijf helderder of zwakker maken gedurende een bepaalde tijdspanne. Eerder onderzoek had uitgewezen dat de tijd die een schijf nodig heeft om te vervagen, helderder te worden en weer te vervagen, verband houdt met de massa van het centrale zwarte gat. Maar die beweringen waren controversieel en dekten niet het volledige scala van zwarte gatmassa’s, zegt Burke.

Dus verzamelden hij en collega’s observaties van 67 zwarte gaten die actief bezig waren met bekende massa’s. De kolossen besloegen afmetingen van 10.000 tot 10 miljard zonsmassa’s. Voor de kleinste van deze zwarte gaten veranderden de flikkeringen op tijdschalen van uren tot weken. Superzware zwarte gaten met massa’s tussen 100 miljoen en 10 miljard zonsmassa’s flikkerden langzamer, elke paar honderd dagen.

“Dat geeft ons een hint dat, oké, als deze relatie geldt voor kleine superzware zwarte gaten en grote, het misschien een soort universeel kenmerk is”, zegt Burke.

Uit nieuwsgierigheid keek het team ook naar witte dwergen, de compacte lijken van sterren zoals de zon, die enkele van de kleinste objecten zijn voor consistente accretieschijven. Die witte dwergen volgden dezelfde relatie tussen flikkersnelheid en massa.

De geanalyseerde zwarte gaten bestreken niet het volledige mogelijke bereik van massa’s. Bekende zwarte gaten die ongeveer 100 tot 100.000 keer de massa van de zon zijn, zijn zeldzaam. Er zijn verschillende potentiële kandidaten, maar er is er maar één bevestigd (SN: 9/2/20). In de toekomst zou de relatie tussen schijfflikkeringen en de massa van een zwart gat astronomen precies kunnen vertellen naar wat voor soort schijfflikkeringen ze moeten zoeken om deze middelgrote beesten uit hun schuilplaats te halen, als ze er zijn om te vinden, zegt Burke.

Astrofysicus Vivienne Baldassare van de Washington State University in Pullman bestudeert zwarte gaten in dwergstelsels, die enkele eigenschappen van oude zwarte gaten die in het vroege heelal zijn gevormd, kunnen behouden. Een van de grootste uitdagingen in haar werk is het meten van de massa’s van zwarte gaten. De “super opwindende resultaten van het onderzoek… zullen een grote impact hebben op mijn onderzoek, en ik verwacht ook vele anderen”, zegt ze.

De methode biedt een eenvoudigere manier om zwarte gaten te wegen dan welke eerdere techniek dan ook, zegt Burke, maar niet per se een snellere. Grotere zwarte gaten zouden bijvoorbeeld honderden dagen of mogelijk jaren aan observaties nodig hebben om hun massa te onthullen.

Aankomende observatoria zijn al van plan om dat soort gegevens te verzamelen. Het Vera C. Rubin Observatorium zal naar verwachting vanaf 2022 of 2023 elke nacht de hele hemel gaan observeren (SN: 1/10/20). Als de telescoop eenmaal lang genoeg heeft gedraaid, zullen de waarnemingen die nodig zijn om zwarte gaten te wegen “gratis” uit de Rubin Observatory-gegevens vallen, zegt Burke. “We zijn het al aan het bouwen. Dat kunnen we net zo goed doen.”