Zwarte gaten zijn een van de meest geweldige en mysterieuze natuurkrachten. Tegelijkertijd zijn ze fundamenteel voor ons begrip van astrofysica. Niet alleen zijn zwarte gaten het resultaat van bijzonder zware sterren die aan het einde van hun leven supernova worden, ze zijn ook de sleutel tot ons begrip van algemene relativiteitstheorie en er wordt aangenomen dat ze een rol hebben gespeeld in de kosmische evolutie.
Daarom proberen astronomen jarenlang ijverig een telling van zwarte gaten in het Melkwegstelsel te maken. Nieuw onderzoek wijst er echter op dat astronomen mogelijk een hele klasse van zwarte gaten over het hoofd hebben gezien. Dit komt uit een recente ontdekking waarbij een team van astronomen een zwart gat heeft waargenomen dat iets meer dan drie zonsmassa's is, waardoor het het kleinste tot nu toe ontdekte zwarte gat is.
De studie, "Een niet-interagerende laag-massa zwart gat-gigantische ster binair systeem", verscheen onlangs in het tijdschrift Wetenschap. Het verantwoordelijke team werd geleid door astronomen van de Ohio State University en bestond uit leden van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, The Observatories of the Carnegie Institution for Science, het Dark Cosmology Center en meerdere observatoria en universiteiten.
De ontdekking was vooral opmerkelijk omdat het een object identificeerde waarvan astrofysici voorheen niet wisten dat het bestond. Als gevolg hiervan moeten wetenschappers nu heroverwegen wat ze dachten te weten over de populatie van zwarte gaten in ons sterrenstelsel. Zoals Todd Thompson, een professor in astronomie aan de Ohio State University en hoofdauteur van de studie, uitlegde:
"We laten deze hint zien dat er nog een andere populatie is die we nog niet echt hebben onderzocht in de zoektocht naar zwarte gaten. Mensen proberen supernova-explosies te begrijpen, hoe superzware zwarte sterren exploderen, hoe de elementen werden gevormd in superzware sterren. Dus als we een nieuwe populatie van zwarte gaten zouden kunnen onthullen, zou dat ons meer vertellen over welke sterren exploderen, welke niet, welke zwarte gaten vormen, die neutronensterren vormen. Het opent een nieuw studiegebied. ”
Vanwege de invloed die ze hebben op ruimte en tijd, zijn astronomen al lang op zoek naar zwarte gaten en neutronensterren. Omdat ze ook het resultaat zijn wanneer sterren sterven, kunnen ze ook informatie geven over de levenscycli van sterren en hoe elementen worden gevormd. Om dat te kunnen doen, moeten astronomen eerst bepalen waar zwarte gaten zich in ons sterrenstelsel bevinden, wat vereist dat ze weten waarnaar ze moeten zoeken.
Een manier om ze te vinden, is door te zoeken naar binaire systemen, waar twee sterren vanwege hun onderlinge zwaartekracht in een baan om de aarde zijn opgesloten. Wanneer een van deze sterren tegen het einde van zijn levensduur door zwaartekracht ineenstort, zal hij ofwel instorten om een neutronenster of een zwart gat te vormen. Als de begeleidende ster de Red Branch Phase (RBP) van zijn evolutie heeft bereikt, zal hij aanzienlijk uitbreiden.
Deze uitbreiding zal ertoe leiden dat de rode reus wordt onderworpen aan zijn zwarte gat of neutronenster-metgezel. Dit zal ertoe leiden dat materiaal van het oppervlak van de eerste wordt getrokken en langzaam door de laatste wordt verbruikt. Dit blijkt uit de hitte en de röntgenstralen die worden uitgestraald terwijl materiaal van de ster wordt geaccumuleerd op zijn metgezel met zwarte gaten.
Tot nu toe waren alle door astronomen geïdentificeerde zwarte gaten in ons sterrenstelsel tussen vijf en vijftien zonsmassa's. Neutronensterren daarentegen zijn over het algemeen niet groter dan ongeveer 2,1 zonsmassa's, omdat alles groter dan 2,5 zonsmassa's zou instorten om een zwart gat te vormen. Toen LIGO en Maagd gezamenlijk zwaartekrachtsgolven ontdekten die werden veroorzaakt door een samenvoeging van zwarte gaten, waren dat respectievelijk 31 en 25 zonsmassa's.
Dit toonde aan dat zwarte gaten konden voorkomen buiten wat astronomen als het normale bereik beschouwden. Zoals Thompson zei:
"Iedereen had meteen zoiets van" wauw ", omdat het zo spectaculair was. Niet alleen omdat het bewees dat LIGO werkte, maar ook omdat de massa enorm was. Zwarte gaten van dat formaat zijn een groot probleem - we hadden ze nog nooit gezien. "
Deze ontdekking inspireerde Thompson en zijn collega's om de mogelijkheid te overwegen dat er mogelijk onontdekte objecten waren die zich tussen de grootste neutronensterren en de kleinste zwarte gaten bevonden. Om dit te onderzoeken, begonnen ze gegevens van het Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) te combineren - een astronomisch onderzoek dat spectra verzamelt van ongeveer 100.000 sterren in de hele melkweg.
Thompson en zijn collega's onderzochten deze spectra op tekenen van veranderingen die zouden aangeven of een ster rond een ander object zou kunnen draaien. In het bijzonder, als een ster tekenen vertoonde van Doppler-verschuiving - waarbij zijn spectra afwisselend verschuiven naar het blauwere uiteinde en vervolgens rodere golflengten - zou dit een indicatie zijn dat hij een ongeziene metgezel zou kunnen draaien.
Deze methode is een van de meest effectieve en populaire manieren om te bepalen of een ster een planetenstelsel heeft. Terwijl planeten om een ster cirkelen, oefenen ze een zwaartekracht uit die ervoor zorgt dat deze heen en weer beweegt. Ditzelfde soort verschuiving werd door Thompson en zijn collega's gebruikt om te bepalen of een van de APOGEE-sterren mogelijk in een zwart gat rond de aarde cirkelde.
Het begon met Thompson die de APOGEE-gegevens beperkte tot 200 kandidaten die het meest interessant bleken te zijn. Vervolgens gaf hij de gegevens aan Tharindu Jayasinghe (een afgestudeerde onderzoeksmedewerker aan de staat Ohio), die vervolgens gegevens gebruikte uit de All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN) - die wordt beheerd door OSU en meer dan 1.000 supernova's heeft gevonden - om duizenden samen te stellen van afbeeldingen van elke kandidaat.
Dit onthulde een gigantische rode ster die leek te draaien om iets dat veel kleiner was dan enig bekend zwart gat, maar veel groter dan welke bekende neutronensterren dan ook. Nadat ze de resultaten hadden gecombineerd met aanvullende gegevens van de Tillinghast Reflector Echelle Spectrograph (TRES) en de Gaia-satelliet, realiseerden ze zich dat ze een zwart gat hadden gevonden dat ongeveer 3,3 keer de massa van de zon was.
Dit resultaat bevestigt niet alleen het bestaan van een nieuwe klasse van zwarte gaten met een laag gewicht, maar leverde ook een nieuwe methode op om ze te lokaliseren. Zoals Thompson uitlegde:
"Wat we hier hebben gedaan, is een nieuwe manier bedenken om naar zwarte gaten te zoeken, maar we hebben mogelijk ook een van de eerste van een nieuwe klasse van zwarte gaten met een lage massa geïdentificeerd waarvan astronomen voorheen niet op de hoogte waren. De massa dingen vertellen ons over hun vorming en evolutie, en ze vertellen ons over hun aard. ”
