Sterrenkundigen – onder wie SRON/RU-onderzoeker Peter Jonker – hebben een fatale ontmoeting tussen een onfortuinlijke ster en een middelzwaar zwart gat bestudeerd. De röntgenflits die daaruit voortkwam geeft ze voor het eerst zowel de massa als de draaisnelheid van een middelzwaar zwart gat.

Hoewel zwarte gaten en peuters weinig gemeen lijken te hebben is er één opvallende overeenkomst: beiden zijn slordige eters, die overvloedig bewijs achterlaten dat er een maaltijd heeft plaatsgevonden. Maar waar de een gevallen pasta of yoghurtspetters achterlaat, weet de ander een naspel van verbijsterende omvang teweeg te brengen. Wanneer een zwart gat een ster oppeuzelt produceert het wat sterrenkundigen een tidal disruption event noemen. Het verscheuren van de onfortuinlijke ster gaat vergezeld van een uitbarsting van straling die het licht van alle sterren in het gast-sterrenstelsel van het zwarte gat samen, maanden of zelfs jarenlang kan overtreffen.

Tidal disruption event
Een team van sterrenkundigen met SRON-onderzoeker Peter Jonker, geleid door Sixiang Wen, postdoc aan de University of Arizona Steward Observatory (en vanaf 1 oktober verbonden aan de Radboud Universiteit), heeft voor het eerst metingen gedaan aan zowel de massa als de draaisnelheid van een zwarte gat. Daarbij maakten ze gebruik van röntgenstraling uitgezonden door een tidal disruption event, bekend onder de afgekorte naam J2150. Dit zwarte gat is van een specifiek type, een middelzwaar zwart gat.

Het bewijs voor het bestaan van dit soort zwarte gaten is nog niet waterdicht. “Het feit dat we in staat waren om dit zwarte gat te betrappen terwijl het een ster verorberde bleek een uitgelezen mogelijkheid om iets te observeren dat anders onzichtbaar zou zijn,” vertelt Ann Zabludoff, hoogleraar sterrenkunde aan de universiteit van Arizona en medeauteur van de publicatie. “Door de flits te analyseren krijgen we een beter begrip van deze ongrijpbare categorie zwarte gaten.”

Middelzwaar zwart gat
Door de röntgendata van de J2150 flits opnieuw te analyseren en te vergelijken met nieuwe theoretische modellen konden de auteurs aantonen dat hij afkomstig was van een ontmoeting tussen een ongelukkige ster en een middelzwaar zwart gat. Het betreffende middelzware zwarte gat heeft een bijzonder kleine massa – althans, voor een zwart gat – van ongeveer 10.000 keer de massa van de zon.

“Uit de röntgenstraling van het binnenste deel van de schijf bestaande uit puin van de dode ster was het voor ons mogelijk om de massa en draaisnelheid van dit zwarte gat af te leiden en het zodoende als een middelzwaar zwart gat te classificeren,” legt Wen uit.

In de centra van grote sterrenstelsels met superzware zwarte gaten zijn tientallen tidal disruption events waargenomen; een handjevol zijn ook waargenomen in de centra van kleine sterrenstelsels die mogelijk middelzware zwarte gaten bevatten. Eerdere data zijn echter nooit voldoende nauwkeurig geweest om te bewijzen dat een individueel tidal disruption event door een middelzwaar zwart gat werd veroorzaakt.

“Dankzij moderne astronomische waarnemingen weten we dat de centra van bijna alle sterrenstelsels van vergelijkbare grootte of groter dan de melkweg superzware zwarte gaten herbergen,” vertelt medeauteur van het onderzoek Nicholas Stone, docent aan de Hebrew University in Jeruzalem. “Deze reuzen variëren in omvang van één miljoen tot tien miljard keer de massa van de zon, en ze vormen krachtige bronnen van elektromagnetische straling wanneer interstellair gas invalt.”

Massa
De massa van deze zwarte gaten correleert sterk met de totale massa van de stelsels waarin ze zitten; de grootste sterrenstelsels huizen de grootste superzware zwarte gaten. “We weten nog steeds erg weinig over het bestaan van zwarte gaten in de centra van stelsels kleiner dan ons melkwegstelsel,” vertelt medeauteur Peter Jonker van Radboud Universiteit en SRON. “Door beperkingen in de waarnemingen is het erg uitdagend om centrale zwarte gaten te ontdekken die kleiner zijn dan één miljoen zonnemassa’s.”

Ondanks de veronderstelde overvloed van zwarte gaten blijft hun oorsprong onbekend. Volgens Jonker zijn er dan ook veel verschillende theorieën die dit proberen te verklaren. Middelzware zwarte gaten zouden de kiemen kunnen zijn waaruit superzware zwarte gaten ontspruiten.

“Daarom kan een betere grip op de hoeveelheid middelzware zwarte gaten helpen bij het bepalen welke theorieën over het ontstaan van superzware zwarte gaten kloppen,” licht hij toe.

Spin

Nog spannender vindt Zabludoff de meting van de draaisnelheid, ook wel spin genoemd, van J2150 die de groep wist te verkrijgen. Deze spinmeting bevat hints over hoe zwarte gaten groeien, en mogelijk ook informatie voor deeltjesfysica.

Wanneer een ster te dicht bij een zwart gat komt, veroorzaakt de zwaartekracht intense getijdekrachten die de ster uiteen trekken, wat een catastrofaal verschijnsel tot gevolg heeft dat bekend staat als een tidal disruption event. Er komen overweldigende hoeveelheden energie vrij die ervoor zorgen dat deze tidal disruption in sommige gevallen zelfs het licht van de rest van zijn sterrenstelsel kan overtreffen. NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)

Dit zwarte gat heeft een hoge spin, maar niet de hoogst mogelijke spin, legt Zabludoff uit, wat de vraag opwerpt hoe het zwarte gat aan zijn spin komt.

“Het kan zijn dat het zwarte gat op deze manier gevormd is en de spin sindsdien amper meer veranderd is, of dat twee middelzware zwarte gaten onlangs tot deze zijn versmolten,” vertelt ze. “Wat we wel weten is dat de spin die we gemeten hebben scenario’s uitsluit waarin het zwarte gat gedurende een lange tijd groeit door gestaag gas te consumeren of door veel snelle hapjes te nemen van gas uit willekeurige richtingen.”

Donkere materie
Bovendien laat de spinmeting de astrofysici hypotheses testen over de aard van donkere materie, waarvan wordt gedacht dat deze goed is voor de meeste materie in het heelal. Donkere materie zou kunnen bestaan uit onbekende elementaire deeltjes die nog niet in laboratoriumexperimenten zijn waargenomen. Onder de kandidaten bevinden zich hypothetische deeltjes die ultralichte bosonen worden genoemd, legt Stone uit.

“Als deze deeltjes bestaan en massa hebben in een bepaald bereik, dan zullen ze voorkomen dat een middelzwaar zwart gat een snelle spin krijgt,” zegt hij. “Het zwarte gat van J2150 spint echter snel. Onze spinmeting sluit dus een reeks ultralichte boson-theorieën uit, wat de waarde aantoont van zwarte gaten als buitenaardse laboratoria voor deeltjesfysica.”

De auteurs hopen dat nieuwe waarnemingen van tidal disruption flares sterrenkundigen in de toekomst zouden kunnen helpen om tot een betere massaverdeling te komen van zwarte gaten.

Dwergstelsels
“Als blijkt dat de meeste dwergsterrenstelsels middelzware zwarte gaten bevatten, dan zou dat betekenen dat de meeste tidal disruption events in zulke dwergstelsels voorkomen,” zegt Stone. “Door de röntgenstraling van deze flitsen met theoretische modellen te vergelijken kunnen we een schatting doen van de middelzware zwarte gaten-populatie in het heelal,” voegt Wen toe.

Om dat te kunnen doen zullen echter meer tidal disruption events gevonden moeten worden. Dat is waarom sterrenkundigen uitkijken naar de nieuwe telescopen die binnenkort in bedrijf gaan, zowel op aarde als in de ruimte, zoals de Chinese Einstein Probe-satelliet waar ESA ook aan meewerkt.

Dit onderzoek werd gesteund door subsidies vanuit NASA en de U.S.-Israel Binational Science Foundation. Een eerdere versie van dit artikel verscheen in het Engels op de website van de universiteit van Arizona. Tekst: Daniel Stolte, University Communications