Vreemd gedrag van ster verraadt eenzaam zwart gat in grote sterrenhoop

Astronomen die het MUSE-instrument van ESO’s Very Large Telescope in Chili gebruiken, hebben in de bolvormige sterrenhoop NGC 3201 een ster ontdekt die zich heel vreemd gedraagt. Hij lijkt een omloopbaan te volgen om een onzichtbaar zwart gat dat ongeveer vier keer zoveel massa heeft als de zon. Het is het eerste inactieve zwarte gat van stellaire massa dat in een bolvormige sterrenhoop is aangetroffen en het eerste dat is ontdekt via rechtstreekse detectie van zijn zwaartekrachtsaantrekking. Deze ontdekking is van belang voor ons begrip van het ontstaan van deze sterrenhopen en zwarte gaten, en van de oorsprong van zwaartekrachtgolven.

Bolvormige sterrenhopen zijn enorme verzamelingen van tienduizenden sterren die om de meeste sterrenstelsels draaien. Ze bestaan al sinds de tijd dat de vorming van sterrenstelsels op gang kwam en behoren daarmee tot de oudst bekende stersystemen in het heelal. Momenteel zijn er meer dan 150 bekend die tot ons Melkwegstelsel behoren. Eén specifieke bolvormige sterrenhoop, NGC 3201 in het zuidelijke sterrenbeeld Vela (Zeilen), is nu onderzocht met behulp van het MUSE instrument van ESO’s Very Large Telescope in Chili. Een internationaal team van astronomen heeft ontdekt dat een van de sterren [1] in NGC 3201 zich heel vreemd gedraagt: hij beweegt met een regelmaat van 167 dagen afwisselend naar ons toe en van ons vandaan met snelheden van enkele honderdduizenden kilometers per uur [2].

Hoofdonderzoeker Benjamin Giesers (Georg-August-Universität Göttingen, Duitsland) raakte geïntrigeerd door het gedrag van de ster: ‘Hij bewoog in een baan om iets dat volkomen onzichtbaar was, dat een massa had die meer dan vier keer zo groot was als die van de zon – dat kon alleen maar een zwart gat zijn! De eerste die in een bolvormige sterrenhoop is ontdekt door zijn zwaartekrachtsaantrekking rechtstreeks waar te nemen.’ De relatie tussen zwarte gaten en bolvormige sterrenhopen is even belangrijk als mysterieus. Vanwege hun grote massa’s en hoge leeftijden, wordt van deze sterrenhopen gedacht dat ze in de loop van hun lange bestaan een groot aantal zwarte gaten van stellaire massa’s hebben geproduceerd. Deze laatste komen voort uit de explosies van zware sterren [3] [4].

ESO’s MUSE-instrument biedt astronomen de unieke mogelijkheid om de bewegingen van duizenden verre sterren tegelijkertijd te meten. Op die manier heeft het team voor het eerst een inactief zwart gat in het hart van een bolvormige sterrenhoop kunnen detecteren – een zwart gat dat momenteel geen materie opslokt en niet wordt omringd door een schijf van gloeiend heet gas. Ze konden een schatting maken van de massa van het zwarte gat door de bewegingen te meten van een ster die in de greep van zijn enorme aantrekkingskracht is [5]. Uit zijn waargenomen eigenschappen blijkt dat de ster ongeveer 0,8 maal de massa van onze zon heeft. De massa van zijn mysterieuze begeleider is becijferd op ongeveer 4,36 zonsmassa, wat betekent dat het vrijwel zeker een zwart gat betreft [6].

Recente detecties van radio- en röntgenbronnen in bolvormige sterrenhopen, evenals de detectie in 2016 van zwaartekrachtgolven van twee samensmeltende stellaire zwarte gaten, wijzen erop dat deze relatief kleine zwarte gaten wellicht meer voorkomen in bolvormige sterrenhopen dan eerder werd gedacht. Giesers concludeert: ‘Tot voor kort werd aangenomen dat bolvormige sterrenhopen binnen relatief korte tijd bijna al hun zwarte gaten zouden kwijtraken en dat systemen als deze niet eens zouden mogen bestaan! Maar dat is duidelijk niet het geval – onze ontdekking is de eerste rechtstreekse detectie van de zwaartekrachtseffecten van een zwart gat van stellaire massa in een bolhoop. Deze ontdekking geeft ons meer inzicht in de vorming van bolvormige sterrenhopen en de evolutie van zwarte gaten en dubbelsterren – van vitaal belang voor ons begrip van de herkomst van zwaartekrachtgolven.’

Noten

[1] De ontdekte is ster heeft zojuist het einde van de hoofdreeksfase van zijn leven bereikt. Nu hij zijn primaire waterstofvoorraad heeft verbruikt, is hij bezig om in een rode reus te veranderen.

[2] Momenteel wordt, met behulp van ESO’s MUSE-instrument en met steun van het MUSE-consortium, een grote survey van 25 bolvormige sterrenhopen rond de Melkweg uitgevoerd. Na afloop kunnen astronomen voor elke sterrenhoop beschikken over de spectra van 600 tot 27.000 sterren. Een van de elementen van het onderzoek is de bepaling van de ‘radiale snelheid’ van individuele sterren – de snelheid waarmee ze afwisselend naar ons toe en van ons weg bewegen. Door meting van de radiale snelheid kan de omloopbaan van een ster worden bepaald, evenals de eigenschappen van het zware hemellichaam dat hem eventueel in zijn greep houdt.

[3] Bij gebrek aan voortdurende stervorming, zoals bij bolvormige sterrenhopen het geval is, worden stellaire zwarte gaten al snel de zwaarste objecten ter plaatse. Over het algemeen hebben stellaire zwarte gaten in bolvormige sterrenhopen ongeveer vier keer zoveel massa als de lichte sterren in hun omgeving. Recente theorieën hebben tot de conclusie geleid dat zwarte gaten een dichte kern binnen de sterrenhoop vormen, die zich vervolgens losmaakt van de rest van de bolvormige structuur. Aangenomen wordt dat het merendeel van de zwarte gaten vervolgens door onderlinge bewegingen in het centrum van de sterrenhoop de ruimte in worden geslingerd, wat betekent dat er na een miljard jaar nog maar weinig over zullen zijn.

[4] Stellaire zwarte gaten – of collapsars – ontstaan wanneer zware sterren sterven, onder invloed van hun eigen zwaartekracht ineenstorten en als krachtige hypernovae exploderen. Wat achterblijft is een zwart gat dat het grootste deel van de massa van de voormalige ster bevat – enkele tot enkele tientallen zonsmassa’s.

[5] Omdat er, vanwege hun enorme zwaartekracht, geen licht uit zwarte gaten kan ontsnappen, bestaat de belangrijkste opsporingsmethode uit de detectie van de radio- of röntgenstraling van de hen omringende hete materie. Wanneer een zwart gat echter geen materie uit zijn omgeving aantrekt en dus – zoals in het hier beschreven geval – geen straling uitzendt, is het ‘inactief’ en onzichtbaar. Dan is een andere detectiemethode nodig.

[6] Omdat het niet-lichtgevende object in dit dubbelstersysteem niet rechtstreeks kan worden waargenomen, bestaan er nog alternatieve, zij het veel minder overtuigende, verklaringen voor wat het zou kunnen zijn. Mogelijk is er sprake van een drievoudig stersysteem, bestaande uit twee innig verbonden neutronensterren waar de waargenomen ster omheen draait. Dit scenario vereist dat de beide neutronensterren minstens tweemaal zoveel massa hebben als onze zon – een configuratie die nog nooit eerder is waargenomen.