Een gemiddeld zwart gat in een bolvormige sterrenhoop
Tussenliggende zwarte gaten vormen een belangrijke schakel tussen de zwarte gaten die uit sterren ontstaan en de enorme zwaartekrachtreuzen in het hart van sterrenstelsels. Astronomen hebben nu misschien een van deze langgezochte tussenvormen ontdekt – in de bolvormige sterrenhoop Omega Centauri in ons Melkwegstelsel, op ongeveer 17.000 lichtjaar afstand. Te midden van deze overblijfselen van een prehistorisch dwergstelsel ontdekten onderzoekers zeven sterren die snel rond een onzichtbaar centrum cirkelden. De banen en snelheden geven aan dat dit een zwart gat is met een massa van minstens 8.200 zonsmassa’s – een gemiddeld zwart gat. Als dit wordt bevestigd, zou het ook het meest massieve zwarte gat in onze kosmische omgeving zijn.
Zwarte gaten zijn er in verschillende maten en massa’s. Stellaire zwarte gaten, met een maximale massa van enkele tientallen van de massa van de zon, komen het meest voor en ontstaan bij de supernova-explosies van massieve sterren. Aan de andere kant zijn er superzware zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels, met een massa van miljoenen of zelfs miljarden zonnen. Onze meest nabije vertegenwoordiger van deze zwaartekrachtreuzen is Sagittarius A*, het centrale zwarte gat in de Melkweg dat ongeveer vier miljoen zonsmassa’s weegt en zich op een afstand van zo’n 25.000 lichtjaar bevindt. Maar volgens de theorie moet er ook een tussenvorm van zwarte gaten bestaan. Deze tussenliggende zwarte gaten moeten een massa hebben tussen de 100 en 100.000 zonsmassa’s, en zouden bijvoorbeeld gevormd kunnen zijn door seriële samensmeltingen van stellaire zwarte gaten. Ze worden ook beschouwd als mogelijke voorlopers van enorme galactische centra. Astronomen hebben tot nu toe echter slechts enkele kandidaten voor dit tussenstadium kunnen vinden. Hierdoor is de exacte locatie en het aantal van deze tussenliggende zwarte gaten onduidelijk.
De overblijfselen van een geabsorbeerd dwergstelsel
Maar nu hebben astronomen onder leiding van Maximilian Haberli van het Max Planck Instituut voor Astronomie in Heidelberg mogelijk een van deze tussenliggende zwarte gaten ontdekt – verborgen in het centrum van de bolvormige sterrenhoop Omega Centauri. Deze groep van ongeveer tien miljoen sterren bevindt zich op ongeveer 17.000 lichtjaar afstand van ons en is de helderste en zwaarste bolvormige sterrenhoop in ons Melkwegstelsel. Het is met het blote oog aan de zuidelijke hemel te zien als een klein, wazig stipje aan de nachtelijke hemel. “Omega Centauri is een speciaal geval onder de bolvormige sterrenhopen in de Melkweg”, leggen astronomen uit. “Vanwege zijn grote massa, complexe samenstelling en dynamiek van de sterrenhopen is de sterrenhoop een overblijfsel van een dwergstelsel dat door de Melkweg werd geabsorbeerd.”
De eigenaardigheid van Omega Centauri heeft lange tijd twijfels doen rijzen over de mogelijkheid om een tussenliggend zwart gat in het centrum van de bolvormige sterrenhoop te verbergen, een voorloper van de superzware zwarte gaten die vandaag de dag bestaan en die niet langer groeien als gevolg van de samensmelting van sterrenstelsels. Eerdere waarnemingen hebben echter geen tekenen gevonden die wijzen op een actief zwart gat dat materie verslindt en daardoor straling uitzendt in het centrum van de cluster. Bovendien staan de sterren in het binnenste deel van de bolhoop zo dicht bij elkaar dat het moeilijk is om ertussen te kijken. Daarom kozen Haberle en zijn team voor een andere aanpak: ze volgden de bewegingen van de sterren in Omega Centauri, omdat sterren die bijzonder snel roteerden konden onthullen of er een grote, onzichtbare massa verborgen was in het midden van de cluster.
“Racing Stars” onthullen een verborgen zwart gat
Voor hun onderzoek evalueerden Haberle en zijn collega’s meer dan 500 archiefbeelden die de Hubble-ruimtetelescoop de afgelopen twintig jaar van deze bolvormige sterrenhoop had gemaakt – sommige alleen voor kalibratiedoeleinden. “Het zoeken naar snelle sterren en het documenteren van hun beweging was als het zoeken naar een speld in een hooiberg”, zegt Haberle. Het was echter succesvol: met behulp van geavanceerde analyses bepaalden astronomen de banen en snelheden van in totaal 1,4 miljoen sterren – dit is de meest complete catalogus van sterbewegingen in Omega Centauri tot nu toe. Belangrijker nog was dat het team zeven sterren in het binnenste deel van de bolvormige sterrenhoop ontdekte die veel sneller bewogen dan zou moeten. “We hebben zeven sterren gevonden binnen ongeveer drie boogminuten rond het centrum, met een snelheid van meer dan 2,41 milliboogseconden per jaar”, zeggen de astronomen. Dit betekent dat de snelheid van deze sterren groter is dan de ontsnappingssnelheid op deze locatie, en dat ze al lang geleden uit de bolvormige sterrenhoop hadden moeten zijn voortgestuwd.
‘De aanwezigheid van zeven centrale sterren die sneller bewegen dan de ontsnappingssnelheid van de cluster kan alleen worden verklaard door het feit dat ze gebonden zijn aan een massief object nabij het centrum van de cluster’, leggen Haberli en zijn collega’s uit. Daarom houdt de zwaartekracht van zo’n lichaam de sterren ondanks hun hoge snelheid op hun plaats. Met behulp van een aanvullend model reconstrueerde het team hoe zwaar het verborgen object op zijn minst moet zijn om deze ‘snelle sterren’ te vangen. Ze vonden een massa van minstens 8.200 zonsmassa’s. “Dit maakt een tussenliggend zwart gat de enige plausibele oplossing”, schreven de astronomen. Gezien de krappe banen van snelle sterren konden ze ook uitsluiten dat deze cluster bestaat uit verschillende dicht bij elkaar gelegen stellaire zwarte gaten; er zou eenvoudigweg niet genoeg ruimte voor zijn.
Het beste bewijs tot nu toe voor het bestaan van een tussenliggend zwart gat
Volgens het team is dit een bevestiging dat Omega Centauri inderdaad een tussenliggend zwart gat bevat. “In eerdere studies van de centrale regio’s van Omega Centauri zou je je kritisch kunnen afvragen: waar bevinden zich de sterren met hoge snelheid? Nu hebben we het antwoord en de bevestiging dat Omega Centauri inderdaad een middelgroot zwart gat bevat”, zegt Nadine Neumayer Tegelijkertijd levert de studie het meest betrouwbare bewijs tot nu toe voor het bestaan van zulke middelgrote zwarte gaten in het algemeen, en om erachter te komen hoe zwaar en massief dit verborgen zwarte gat is, zijn astronomen al plannen aan het maken. toekomstige waarnemingen met onder meer de James Webb-ruimtetelescoop. Infraroodspectrometers met hoge resolutie zouden de bewegingen van beter scannende sterren in het centrum van Omega Centauri kunnen helpen beperken en zo de exacte locatie en massa van het zwarte gat onthullen.
Bron: Maximilian Haberli (Max Planck Instituut voor Astronomie, Heidelberg) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-024-07511-z
“Analist. Schepper. Zombiefanaat. Fervente reisjunkie. Popcultuurexpert. Alcoholfan.”