Een Chinese groep wetenschappers heeft in zwaartekrachtgolven, ontstaan door de botsing van twee zwarte gaten, aanwijzingen gevonden voor het bestaan van een derde zwart gat, dat miljoenen malen groter is dan de andere twee.
Hoe interessant fysische vraagstukken met drie lichamen kunnen zijn, is bij het grote publiek bekend geworden dankzij de Netflix-serie “The Three-Body Problem” van de makers van “Game of Thrones”. Het gedrag van dergelijke systemen is chaotisch en kan in de regel slechts gedeeltelijk worden voorspeld.
Dit lijkt te impliceren dat er in het heelal alleen dubbelstersystemen kunnen bestaan. Systemen met drie sterren kunnen dus niet stabiel zijn en moeten uiteindelijk uit elkaar vallen. Dat is niet helemaal juist, maar er zijn bekende uitzonderingen – een daarvan bevindt zich in onze naaste kosmische omgeving: het Alfa Centauri-stelsel bevat drie sterren die het dichtst bij ons zonnestelsel staan. Het valt niet uit elkaar omdat twee ervan in een vrij kleine baan om elkaar draaien en de derde iets verder weg staat en het nauw verbonden sterrenpaar niet hindert.
Drie zwarte gaten
Als een systeem met drie sterren mogelijk is, dan zou niets het bestaan van systemen met drie zwarte gaten in de weg moeten staan.
Momenteel zijn voornamelijk dubbele zwarte-gaatsystemen bekend, die in grote aantallen zijn ontdekt tijdens gravitatiegolfmetingen uitgevoerd door de Ligo-Virgo-Kagra-samenwerking. Twee Ligo-detectoren in de VS en een detector van de Virgo-samenwerking in Pisa (Italië) registreren de zwaartekrachtreflectie van botsingen tussen dergelijke paren zwarte gaten.
Tot op heden zijn meer dan honderd van dergelijke fusies van zwarte gaten gedocumenteerd. Sporen van een systeem met drie in plaats van twee zwarte gaten ontbraken echter – tot nu toe. Nu meldt een onderzoeksgroep van de Shanghai Astronomical Observatory van de Chinese Academie van Wetenschappen in een nieuw onderzoek, gepubliceerd in het gespecialiseerde tijdschrift The Astrophysical Journal Letters, dat er aanwijzingen zijn voor het bestaan van een dergelijk systeem.
Ongelijke partners
Het onderzoeksteam bestudeerde met name een zwaartekrachtgolfverschijnsel met de naam GW190814, dat in augustus 2019 werd geregistreerd door alle drie de toen actieve zwaartekrachtdetectoren Ligo en Virgo. Dit was een van de meest ongewone gravitatiegolfsignalen die tot nu toe zijn geregistreerd en werd geïnterpreteerd als een botsing tussen twee zeer ongelijke objecten: een zwart gat met een massa die 23 keer groter is dan die van onze zon en een object met een massa die slechts 2,6 keer groter is dan die van onze centrale ster.
Het kleinere object was bijzonder mysterieus. Wat het was, was niet eenvoudig te zeggen: voor een zwart gat was het te klein en voor een neutronenster te groot (zoals gemeld door STANDARD). Het grote verschil in massa zorgde ervoor dat het signaal van de zwaartekrachtgolf meer boventonen bevatte, vergelijkbaar met de boventonen van een goed klinkend instrument, die het een vollere klank geven.
Deze harmonischen gaven meer informatie over het systeem dan normaal. Zo werd bijvoorbeeld vastgesteld dat de grote zwarte gat ongewoon langzaam draait.
In de draaikolk van een reus
Dit wekte de hoop om meer te weten te komen over dit ongewone systeem. Een onderzoeksgroep onder leiding van astrofysicus Han Wenbao had al eerder het idee geopperd dat het dubbelstersysteem achter GW190814 deel zou kunnen uitmaken van een nog groter systeem. Beide objecten, die Han als zwarte gaten beschouwt, draaiden mogelijk rond een nog grotere superzware zwarte gat.
Han was ervan overtuigd dat deze theorie kon worden getoetst met behulp van de gegevens over zwaartekrachtgolven die Ligo en Virgo hadden verzameld wanneer een paar zwarte gaten ons in hun zwaartekrachtveld zou naderen. Dit zou de frequentie van de zwaartekrachtgolven moeten veranderen.
Nieuw onderzoek meldt precies deze waarneming. Het model van Khan en zijn team verklaart de gegevens veel beter dan het model dat is gebaseerd op een paar zwarte gaten zonder superzware partner, aldus het onderzoek.
“Dit is de eerste internationale ontdekking van duidelijke aanwijzingen voor een derde compact object bij de fusie van twee zwarte gaten”, zegt Khan. “Het laat zien dat de twee zwarte gaten in GW190814 mogelijk niet geïsoleerd zijn ontstaan, maar deel uitmaakten van een complexer zwaartekrachtsysteem, wat belangrijke informatie oplevert over de mechanismen achter het ontstaan van dubbele zwarte-gatensystemen.”
Een nog groter drievoudig systeem
Strikt genomen is dit niet het eerste bewijs voor het bestaan van een systeem met drie zwarte gaten. Onlangs is er nog een andere ontdekking gedaan die op hetzelfde wijst.
Het mysterieuze spoor van steeds jongere sterren dat vanuit de melkweg naar de leegte van de ruimte leidt, kan voorlopig alleen worden geïnterpreteerd als de overblijfselen van een superzware zwarte gat die uit het centrum van de melkweg is geslingerd. Daarbij heeft het interstellaire gas samengeperst totdat er sterren zijn ontstaan.
Maar hoe kan zo’n enorm object worden versneld? De beste verklaring is een systeem van drie superzware zwarte gaten. Omdat systemen van drie lichamen bij voldoende nabijheid en gelijkenis van de drie partners zelfs in de ruimte chaotisch gedrag vertonen, wordt op een gegeven moment een van de objecten uit het systeem geslingerd. Dat is waarschijnlijk ook in dit geval gebeurd.
