Gravitatiegolfmetingen plaatsen de massa van het object tussen een neutronenster en een zwart gat
Als eerste hebben de LIGO- en Maagd-zwaartekrachtgolfdetectoren een botsing opgemerkt tussen een zwart gat (links afgebeeld) en een mysterieus object (rechts), dat ofwel de zwaarste neutronenster ooit kan zijn, ofwel het lichtste zwarte gat.
Rimpelingen in de ruimtetijd hebben een botsing op afstand tussen een zwart gat en een mysterieobject aan het licht gebracht, dat te massief lijkt om een neutronenster te zijn, maar niet massief genoeg om een zwart gat te zijn.
Op het eerste gezicht leek de gebeurtenis – gedetecteerd door de LIGO- en Maagd-zwaartekrachtgolfdetectoren op 14 augustus 2019 – op een botsing tussen een zwart gat en een neutronenster (SN: 15-08-19). Maar een nieuwe analyse van de zwaartekrachtsgolven die uit de fusie voortkomen, vertelt een ander verhaal. Het laat zien dat een zwart gat ongeveer 23 keer zo groot is als de zon crashte in een compact object van ongeveer 2,6 zonsmassa’s, rapporteren onderzoekers 23 juni in de Astrophysical Journal Letters.
Dat 2.6-zonnemassa-object is zwaarder dan de veronderstelde 2,5-zonnemassa-dop op neutronensterformaat. Maar het is kleiner dan het lichtste zwarte gat dat ooit is waargenomen, namelijk ongeveer vijf zonsmassa’s. “Wij hebben [here] ofwel de zwaarste bekende neutronenster … of we hebben het lichtste bekende zwarte gat ‘, zegt Cole Miller, een astrofysicus aan de Universiteit van Maryland in College Park die niet bij het werk betrokken is.
Neutronensterren, die dichte stellaire overblijfselen zijn die zijn achtergelaten door stellaire explosies, worden verondersteld maximaal te zijn bij ongeveer 2,5 zonsmassa’s omdat elke grotere ster onder zijn eigen gewicht kan afbrokkelen. Zwarte gaten van minder dan ongeveer vijf zonsmassa’s zijn theoretisch mogelijk, ‘we hebben gewoon geen waarnemingsbewijs van zulke lage massa zwarte gaten’, zegt coauteur Vicky Kalogera, astrofysicus aan de Northwestern University in Evanston, Illinois. Dat zou kunnen betekenen dat dergelijke objecten zijn zeer zeldzaam, of dat ze zo moeilijk te herkennen zijn dat ze bij eerdere zoekopdrachten over het hoofd zijn gezien.
Helaas heeft deze eenzame fusie astronomen niet genoeg aanwijzingen nagelaten om de identiteit van het enigmatische 2.6-zonnemassa-object te achterhalen. Nadat het in de VS gevestigde Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, of LIGO, en zijn zusterexperiment in Italië, Advanced Virgo, de fusie hadden ontdekt, zochten tientallen op de grond gebaseerde en ruimtetelescopen de lucht af naar licht dat van de crashlocatie straalde. Maar ze vonden niets.
Die waarneming – of het ontbreken daarvan – past bij het idee dat het mysterieobject een zwart gat is, omdat men denkt dat botsingen met zwart gaten over het algemeen geen licht geven. Maar het zou ook kunnen passen bij de uitleg van de neutronenster. Hoewel smashups met neutronensterren veel licht kunnen afwerpen (SN: 16-10-17), is het mogelijk dat deze botsing – bijna 800 miljoen lichtjaar verwijderd – gewoon te ver weg was om telescopen de straling te zien. Of misschien slikte het zwarte gat zijn kleine neutronenster in één slok in, waardoor het spoorloos verdween.
Als dat laatste scenario waar is, ‘betekent dit dat [the pair of objects] had zijn moment van zwaartekrachtsgolf glorie ‘, zegt Miller, en nu is het grotere zwarte gat dat in de fusie is gesmeed’ gedoemd om door de enorme leegte van de ruimte te dwalen en waarschijnlijk nooit meer te piepen ‘.
Waarnemingen van soortgelijke gebeurtenissen in de toekomst kunnen bewijzen opleveren voor ofwel het kleine zwarte gat ofwel de theorie van de grote neutronensterren, zegt Kalogera. Als middelgrote objecten bij toekomstige botsingen allemaal tussen de 2,5 en drie zonsmassa’s liggen, vermoedt ze dat dit zou betekenen dat astronomen een zwaardere variëteit aan neutronenster ontdekken die in het verleden is waargenomen. Als astronomen daarentegen veel objecten detecteren waarvan de massa varieert van ongeveer 2,5 tot vijf zonsmassa’s, kan dat erop wijzen dat een populatie van voorheen over het hoofd geziene, kleine zwarte gaten is gevuld.
Kalogera en Miller neigen beiden meer naar het idee dat het mysterieobject een lichtgewicht zwart gat is dan een zware neutronenster. Als dat zo is, roept dat een andere vraag op: hoe zo’n zwart gat ter grootte van een pint werd gekoppeld aan een partner die zoveel groter was dan hijzelf.
Zwarte gaten werken meestal samen met partners van vergelijkbaar gewicht. Bij de meeste door LIGO en Maagd ontdekte fusies waren redelijk gelijke zwarte gaten betrokken (SN: 20-4-20). Maar het grotere zwarte gat dat bij deze fusie betrokken was, was ongeveer negen keer zo groot als zijn enigmatische tegenhanger, wat vragen opriep over wat zo’n vreemd stel bij elkaar had kunnen brengen. Ook hier hopen astronomen dat toekomstige waarnemingen van zwaartekrachtsgolven van dergelijke excentrieke combinaties antwoorden kunnen bieden.
