Astronomen hebben zich lange tijd verbaasd over een ongebruikelijke zwaartekrachtsgolfgebeurtenis die in 2023 werd gedetecteerd: een botsing tussen twee zwarte gaten die de conventionele wijsheid over de vorming van zulke massieve en snel draaiende objecten tartte. Het mysterie is nu opgelost dankzij geavanceerde computersimulaties die de cruciale rol van magnetische velden bij het vormgeven van deze kosmische kolossen onthullen.
In november 2023 hebben op aarde gebaseerde detectoren zoals LIGO, Virgo en KAGRA rimpelingen in de ruimtetijd vastgelegd die zwaartekrachtgolven worden genoemd. Dit signaal, aangeduid als GW231123, wees op een botsing van twee zwarte gaten op ongeveer 7 miljard lichtjaar afstand. Maar de kenmerken van deze zwarte gaten brachten astronomen voor een raadsel: elk had een massa van ongeveer 100 tot 140 keer die van onze zon en draaide met bijna-lichtsnelheden.
Het probleem? De huidige theorieën suggereren dat sterren die massief genoeg zijn om in zwarte gaten met zulke buitengewone massa’s in te storten, zouden moeten exploderen als ‘supernova’s met paarinstabiliteit’. Deze cataclysmische gebeurtenissen zijn zo krachtig dat ze niets achterlaten, zelfs geen zwart gat. Als gevolg hiervan hadden wetenschappers niet verwacht dat er zwarte gaten zouden ontstaan binnen het massabereik tussen ongeveer 70 en 140 maal de massa van de zon.
Hoewel er binnen deze ‘massakloof’ zwarte gaten kunnen bestaan na samensmelting van bestaande kleinere zwarte gaten, was dat in dit geval niet waarschijnlijk. Fusies verstoren de rotatie van een zwart gat, maar de botsende objecten in GW231123 draaiden ongelooflijk snel rond – met hun theoretisch maximale rotatiesnelheid. Dit betekende dat er iets heel anders moest spelen.
Een team onder leiding van astrofysicus Ore Gottlieb van het Center for Computational Astrophysics (CCA) van het Flatiron Institute ging de uitdaging aan door complexe computersimulaties van stellaire evolutie en supernova’s uit te voeren. Hun belangrijkste inzicht? De rol van magnetische velden in de laatste momenten van een ster.
Magnetische velden herschrijven het script
Eerdere studies hebben in deze extreme scenario’s vaak magnetische velden over het hoofd gezien. Gottlieb en zijn team verwerkten ze in hun modellen en onthulden een fascinerende wending: magnetische velden kunnen een aanzienlijke invloed hebben op hoe overgebleven stellair materiaal zich gedraagt na een supernova.
Ze simuleerden de dood van een massieve ster met ongeveer 250 keer de massa van de zon, en keken hoe deze het grootste deel van zijn massa kwijtraakte voordat hij instortte en een zwart gat vormde. Vervolgens hielden ze in een meer ingewikkelde simulatie rekening met wervelende magnetische velden die aanwezig waren in de uitdijende wolk van puin rond het nieuw gevormde zwarte gat.
“We ontdekten dat deze magnetische velden een deel van dit overgebleven materiaal met bijna de snelheid van het licht kunnen wegduwen”, legt Gottlieb uit. Hoe sneller de ster ronddraaide en hoe sterker de magnetische velden, hoe efficiënter materie kon worden uitgestoten.
Dit uitdrijvingsproces vermindert effectief de massa die naar het zwarte gat wordt overgebracht. Dit betekent dat zelfs een massieve voorloperster een relatief kleiner zwart gat binnen de verboden massakloof kan achterlaten. Uit de simulaties bleek dat onder bepaalde omstandigheden de helft van de oorspronkelijke stellaire massa kon worden weggeblazen!
Een nieuw tijdperk in het begrijpen van zwarte gaten
De ontdekking heeft verstrekkende gevolgen voor de manier waarop we de vorming en evolutie van zwarte gaten begrijpen. Het suggereert:
- Een verband tussen massa, spin en magnetisme: Sterkere magnetische velden kunnen leiden tot lichtere en langzamer draaiende zwarte gaten, terwijl zwakkere velden massievere en sneller roterende zwarte gaten kunnen produceren. Deze connectie opent nieuwe wegen voor onderzoek.
- Testen via gammaflitsen: De simulaties voorspellen dat de vorming van deze zwarte gaten met massakloof gepaard zou moeten gaan met een uitbarsting van gammastraling: hoogenergetisch licht dat op aarde waarneembaar is. Het detecteren van een dergelijke uitbarsting zou krachtig bewijs leveren om dit model te ondersteunen.
Het mysterie van GW231123 is opgelost, maar het roept nog intrigerende vragen op over de complexe wisselwerking tussen magnetische velden en zwaartekracht in de dramatische laatste momenten van massieve sterren. Het benadrukt hoe ogenschijnlijk ‘onmogelijke’ gebeurtenissen verrassende waarheden kunnen onthullen over de meest raadselachtige objecten in het universum.
