De ontdekking van een “slapend” stellair zwart gat

Er zouden al miljoenen stellaire zwarte gaten in de Melkweg moeten zijn – de overblijfselen van massieve sterren. Tot nu toe is er echter weinig bekend omdat ze onzichtbaar en moeilijk te vinden zijn. Nu kunnen astronomen zo’n stellair zwart gat in de Grote Magelhaense Wolk hebben ontdekt. Het werd onthuld door haar allure op een enorme en stralende Shrek-ster. Aan zijn bewegingen is te zien dat de onzichtbare partner een inactief zwart gat is met een massa van negen zonsmassa’s. Als het wordt bevestigd, zou het de eerste detectie zijn van zo’n slapend stellair zwart gat buiten de Melkweg.

Stellaire zwarte gaten ontstaan ​​wanneer massieve sterren het einde van hun levenscyclus bereiken en onder invloed van hun eigen zwaartekracht instorten. Dat zulke zwarte gaten bestaan, wordt onder meer bewezen door de detectie van zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden wanneer twee zwarte gaten botsen en samensmelten. Maar directe detectie van deze massieve stersporen is moeilijker. Omdat ze onzichtbaar zijn, kunnen zulke stellaire zwarte gaten alleen worden waargenomen als ze materie absorberen, bijvoorbeeld van een begeleidende ster. Dit materiaal zendt vervolgens hoogenergetische röntgenstralen uit, waardoor de aanwezigheid van het zwarte gat wordt onthuld. Tot nu toe zijn echter slechts enkele van dergelijke dubbelsystemen bekend, bestaande uit een actieve ster en een zwart gat. Dergelijke stellaire zwarte gaten zijn moeilijk te detecteren wanneer ze slapen en er worden geen röntgenstralen uit hun omgeving uitgezonden.

Vind onzichtbare metgezellen

“We zijn al meer dan twee jaar op zoek naar dergelijke zwarte gaten en dubbelstersystemen”, zegt medeauteur Julia Bodensteiner van de European Southern Observatory (ESO) in Garching. Voor hun studie kozen astronomen de Tarantulanevel, een gebied in de Grote Magelhaense Wolk waar zich een bijzonder groot aantal massieve sterren en dubbelstersystemen bevinden. Met behulp van zes jaar observatiegegevens van ESO’s Very Large Telescope in Chili, zochten ze specifiek naar sterren waarvan de bewegingen een onzichtbare zware partner aangaven. Met behulp van een hoge resolutie FLAMES-spectrometer konden onderzoekers onder leiding van eerste auteur Tomer Schnarer van de Katholieke Universiteit van Leuven in België deze bewegingen identificeren op basis van kleine fluctuaties in het sterrenlichtspectrum.

Het team vond wat ze zochten in een van de sterren: een hete blauwachtige ster met een massa van ongeveer 25 zonsmassa’s die blijkbaar deel uitmaakt van een dubbelstersysteem met een verborgen partner, hebben astronomen geïdentificeerd. Beide partners draaien om elkaar heen met een omlooptijd van 10,4 dagen. “Hoewel de beweging van de primaire ster duidelijk zichtbaar is in het spectrum, konden we de signatuur van het tweede lichaam niet bepalen in de spectroscopische gegevens”, meldden de astronomen. Daarom kan deze partner geen gewone ster of een ander intens stralend object zijn. De bewegingen van de zichtbare ster laten echter zien dat zijn partner een massa van ten minste negen zonsmassa’s moet hebben – en daarom binnen het bereik van een klein stellair zwart gat ligt. Volgens astronomen is dit ook de meest redelijke verklaring voor hun waarnemingen. “We hebben een speld in een hooiberg gevonden”, zegt Schnarer.

Een inactief zwart gat buiten ons melkwegstelsel

Als het wordt bevestigd, zou het systeem genaamd VFTS 243 niet alleen een nieuwe toevoeging zijn aan de weinige stellaire zwart-gat binaire systemen die tot nu toe bekend zijn – het zou ook het eerste slapende stellaire zwarte gat zijn dat buiten de Melkweg is ontdekt. “Toen Tomer me vroeg om zijn resultaten te controleren, had ik mijn twijfels. Co-auteur Karim El-Badri van het Center for Astrophysics | Harvard en Smithsonian in de VS zegt dat hij al veel van de vermeende ontdekkingen van zwarte gaten als onjuist heeft gemarkeerd. Maar deze keer is hij ook Overtuigd, legt hij uit. Er is dus geen bewijs dat het een ander object is, en tegelijkertijd past de kleine uitstroom van materie uit de primaire ster ook als partner in een slapend zwart gat.

De ontdekking geeft ook nieuwe inzichten in de processen waarmee deze zwarte gaten ontstaan ​​uit massieve voorlopersterren. Conventionele wijsheid zegt dat dit gebeurt wanneer een stervende ster eerst uitzet en vervolgens zijn kern instort onder zijn eigen gewicht. Meestal leidt deze instorting van de kern tot een supernova-explosie – althans dat is de veronderstelling. Er is echter steeds meer bewijs dat sommige sterren direct in zwarte gaten kunnen instorten zonder te exploderen. Dit kan precies het geval zijn met de recent ontdekte vertegenwoordiger: “De ster die het zwarte gat in VFTS 243 vormde, lijkt volledig te zijn ingestort, zonder bewijs van een eerdere uitbarsting”, aldus Shenard. “Recent bewijs voor dit directe instortingsscenario is overvloedig geweest, maar onze studie levert een van de meest directe bewijzen.”

Bron: Tomer Shenar (KU Leuven) et al., Natuurastronomie, doi: 10.1038/s41550-022-01730-y

© wissenschaft.de – Nadia Podebrigar