Astronomen ontdekken zwart gat dat dichtste bij de aarde staat

Zwarte gaten zijn de meest extreme objecten in het universum die we kennen. Waarschijnlijk zit er een superzware versie van deze onvoorstelbaar compacte objecten in het centrum van alle grote sterrenstelsels, terwijl stellaire zwarte gaten - met een massa van zo'n 5 tot 100 keer die van onze zon - veel meer voorkomen. Geschat wordt dat er in onze Melkweg alleen al zo'n 100 miljoen voorkomen. 

Die stellaire zwarte gaten zijn echter moeilijk te ontdekken. Tot nu toe zijn er slechts een handvol bevestigde waarnemingen van en het gaat in bijna alle gevallen om 'actieve' zwarte gaten. Die slokken materiaal op van een nabijgelegen stellaire metgezel en stoten daarbij heldere, duidelijk zichtbare röntgenstraling uit, in tegenstelling tot 'slapende' zwarte gaten, die dat niet doen. 

Een internationaal team van astronomen heeft nu het stellaire zwart gat dat het dichtst bij de aarde staat, ontdekt met behulp van de Gemini North telescoop op Hawaï, een van de 'tweeling-telescopen' van het International Gemini Observatory dat gerund wordt door het NOIRLab van de NSF. 

Dit slapende zwarte gat, dat de onderzoekers Gaia BH1 genoemd hebben, weegt zo'n 10 keer de massa van de zon en staat 1600 lichtjaar ver in het sterrenbeeld Ophiuchus, de Slangendrager. Daarmee staat het 3 keer dichter bij de aarde dan de vorige recordhouder, een stellair zwart gat dat röntgenstraling uitstoot en deel uitmaakt van een dubbelstelsel in het sterrenbeeld Monoceros, Eenhoorn. 

De nieuwe ontdekking werd mogelijk gemaakt door erg precieze waarnemingen van de beweging van de metgezel van het zwarte gat, een op de zon lijkende ster die rond het zwarte gat cirkelt op ongeveer dezelfde afstand als de afstand tussen de aarde en de zon. 

"Neem het zonnestelsel, plaats een zwart gat waar de zon zich bevindt en de zon waar de aarde is en je krijgt dit systeem", zei Kareem El-Badry, een astrofysicus aan het Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian en het Max-Planck-Institut für Astronomie en de hoofdauteur van de studie waarin de ontdekking beschreven wordt. 

"Hoewel er al veel keer gezegd werd dat een dergelijk systeem ontdekt was, werden al deze ontdekkingen vervolgens ontkracht. Dit is de eerste ondubbelzinnige ontdekking van een op de zon lijkende ster in een ruime baan rond een stellair zwart gat in ons sterrenstelsel", zei hij.

Hoewel er waarschijnlijk miljoenen stellaire zwarte gaten in de Melkweg ronddolen, zijn de enkele exemplaren die waargenomen zijn, ontdekt door hun energieke interacties met een bijbehorende ster. Wanneer materiaal van een nabijgelegen ster in een spiraal naar het zwarte gat wordt gezogen, wordt dat materiaal oververhit en veroorzaakt het krachtige röntgenstralen en jets van gas of elektrisch geladen deeltjes die weg worden geschoten. Als een zwart gat slaapt, dus zich niet actief voedt, gaat het gewoonweg op in zijn omgeving en is het moeilijk te vinden. 

"Ik ben de laatste 4 jaar aan het zoeken geweest naar slapende zwarte gaten met behulp van een ruim gamma aan datasets en met verschillende methoden", zei El-Badri. "Mijn eerdere pogingen - en ook die van anderen - hebben een menagerie van dubbelstelsels opgeleverd die zich voordeden als zwarte gaten, maar dit is de eerste keer dat mijn zoektocht resultaat heeft opgeleverd."       

De eerste aanwijzingen dat het systeem mogelijk een zwart gat bevatte, verkreeg het team door gegevens te analyseren van het Gaia-ruimtetuig van de ESA, het European Space Agency. Gaia legde de minieme onregelmatigheden vast in de beweging van de ster die veroorzaakt werden door de zwaartekracht van een zwaar, onzichtbaar object. 

Om het systeem meer in detail te onderzoeken, wendden El-Badry en zijn team zich tot het Gemini Multi-Object Spectrograph instrument op de Gemini North telescoop. Dat mat de snelheid op van de 'metgezel-ster' terwijl ze rond het zwarte  gat draaide en leverde precieze metingen op van de omlooptijd. 

Deze follow-up waarnemingen van Gemini waren cruciaal om de grenzen vast te leggen van de omloopbeweging en ook van de massa's van de twee onderdelen van het dubbelstelsel. Dat liet het team toe het centrale lichaam te identificeren als een zwart gat dat zo'n 10 keer zwaarder was dan onze zon. 

"Onze Gemini follow-up waarnemingen bevestigden zonder enige twijfel dat het dubbelstelsel een normale ster bevat en minstens één slapend zwart gat", zei El-Badry. "We konden geen aannemelijk astrofysisch scenario vinden dat de waargenomen omloop van het systeem kon verklaren zonder dat er minstens één zwart gat bij betrokken was." 

Het team vertrouwde niet alleen op de uitmuntende waarnemingscapaciteiten van Gemini North, maar ook op het vermogen van Gemini om de gegevens op een korte tijd te leveren. Het team had immers maar een korte periode waarin het de follow-up waarnemingen kon verrichten. 

"Toen we de eerste aanwijzingen hadden gekregen dat het systeem een zwart gat bevatte, hadden we slechts een week vooraleer de 2 objecten het dichtst bij elkaar stonden in hun banen. Metingen op dit punt zijn essentieel om nauwkeurige schattingen van de massa te maken in een dubbelstelsel", zei El-Badry. "Het vermogen van Gemini om snelle waarnemingen af te leveren, was doorslaggevend voor het succes van het project. Als we dat korte tijdsbestek gemist zouden hebben, zouden we een jaar hebben moeten wachten."    

De huidige modellen van de astronomen in verband met de evolutie van dubbelstelsels kunnen moeilijk verklaren hoe de bijzondere configuratie van het Gaia BH1 systeem ontstaan zou kunnen zijn. 

De ster die later het nu ontdekte zwarte gat is geworden, zou meer bepaald minstens 20 keer zo zwaar als onze zon moeten geweest zijn. Dat betekent dat ze slechts een paar miljoen jaar geleefd zou hebben. 

Als de beide sterren in het dubbelstelsel op het zelfde ogenblik ontstaan zijn, zou dat betekenen dat de zware ster snel een superreus zou geworden zijn, waarbij ze opgezwollen zou zijn en de andere, kleinere ster zou opgeslokt hebben, nog voor die de tijd zou gehad hebben om een waterstof fuserende ster uit de zogenoemde hoofdreeks te worden zoals onze zon. 

Het is absoluut niet duidelijk hoe de ster met de massa van de zon die episode zou kunnen overleefd hebben en een klaarblijkelijk normale ster - zoals blijkt uit de waarnemingen van het dubbelstelsel met het zwarte gat - zou geworden kunnen zijn. Theoretische modellen die wel ruimte laten voor het overleven van de kleinere, op de zon lijkende ster, voorspellen allemaal dat die ster in een veel dichtere baan zou geëindigd moeten zijn dan de baan die nu waargenomen wordt.

Dat zou erop kunnen wijzen dat er grote gaten zitten in onze kennis over hoe zwarte gaten gevormd worden en evolueren in dubbelstelsels en het suggereert ook dat er een populatie bestaat van nog niet onderzochte, slapende zwarte gaten in dubbelstelsels. 

"Het is interessant dat dit systeem niet makkelijk in overeenstemming te brengen is met de standaardmodellen van de evolutie van dubbelstelsels", zei El-Badry. "Het roept vele vragen op over hoe dit dubbelstelsel gevormd is en ook over hoeveel van die slapende zwarte gaten er daarbuiten te vinden zijn."

"Als onderdeel van een netwerk van telescopen in de ruimte en op de aarde, heeft Gemini North niet enkel sterke bewijzen geleverd voor het dichtstbijzijnde zwarte gat tot op heden, maar ook voor het eerste ongerepte zwarte gat-systeem, dat niet volzit met het gebruikelijke hete gas dat interageert met het zwarte gat", zei Martin Still, de leider van het Gemini Program van de National Science Foundation (NSF). 

"Terwijl dit mogelijk een voorbode is van toekomstige ontdekkingen van de voorspelde populatie van slapende zwarte gaten in ons sterrenstelsel, zorgen de waarnemingen ook voor een raadsel dat opgelost moet worden: waarom is de metgezel-ster in dit dubbelsysteem zo normaal, ondanks een gedeelde geschiedenis met haar bizarre buur?"

De studie over de ontdekking is gepubliceerd in . Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van het National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab).