Fysici hebben mogelijk voor het eerst een onbeweeglijk miniatuur zwart gat gevangen

Een signaal dat alle bekende fysica op zijn kop zet

Een wetenschappelijk team dat werkt met de detectoren LIGO, Virgo en Kagra heeft een opmerkelijke “trilling” in de ruimtetijd geregistreerd. Uit de analyse blijkt dat een object lichter dan de Zon betrokken was bij een kosmische botsing — veel te klein om in enige bekende categorie van zwarte gaten te passen.

De volledige gebeurtenis vertelt het verhaal van een object dat volgens de huidige sterrenvormingstheorie simpelweg niet zou mogen bestaan. Steeds meer onderzoekers spreken openlijk over de mogelijkheid dat we het eerste spoor hebben gezien van een zogenaamd primordiaal zwart gat — ontstaan in de allereerste momenten na de geboorte van het heelal.

Signatuur S251112cm: het signaal dat zich tegen elke verklaring verzet

Onderzoekers in het LVK-netwerk hebben tot nu toe tientallen gravitatiegolven geregistreerd. Dit zijn trillingen in de ruimtetijd die ontstaan bij botsingen tussen extreem massieve objecten — doorgaans zwarte gaten of neutronensterren. Voor het ervaren internationale team is het registreren van dergelijke gebeurtenissen bijna routinematig. Maar signatuur S251112cm doorbrak alle bekende patronen.

De analyse van de gravitatiegolven onthulde dat één van de twee botsende objecten een massa had van slechts 0,1 tot 0,87 zonsmassa’s. De gegevens tonen met een waarschijnlijkheid van meer dan 99 procent aan dat minstens één van de objecten minder dan één zonsmassa woog. Een dergelijk scenario past niet binnen de standaardmodellen voor de levenscyclus van sterren.

De onderzoekers overwogen alle voor de hand liggende verklaringen. Een neutronenster? Een witte dwerg? Deze objecten kunnen inderdaad lichter zijn dan de Zon. Het probleem is dat botsingen tussen zulke objecten normaal gesproken ook gepaard gaan met elektromagnetische uitbarstingen in de vorm van röntgen-, optische of gammastraling.

Deze keer registreerden de telescopen echter helemaal niets. Enkel gravitatiegolven werden waargenomen — precies zoals bij een klassieke botsing tussen twee zwarte gaten. Dat patroon is een cruciaal signaal voor astronomen.

Onderzoekers bij de LIGO-observatoria in Hanford en Livingston, samen met collega’s bij de Virgo-detector in de Italiaanse stad Pisa en Kagra in de Japanse prefectuur Gifu, voerden een gedetailleerde analyse van het signaal uit. Alle drie stations bevestigden dat het geen technische ruis of lokale interferentie betrof, maar een echte kosmische gebeurtenis. De kans op een vals alarm is kleiner dan één procent.

Gegevens van de interferometers tonen de karakteristieke chirp — een geleidelijke versnelling van de golffrequentie vlak voor de botsing. Uit de vorm van deze curve kunnen fysici de massa’s, afstand en de globale positie aan de hemel van de objecten afleiden. Het was precies deze methode die onthulde dat één van de objecten aanzienlijk onder de theoretische ondergrens voor een stervormend zwart gat lag.

Waarom een gewone ster geen zo klein zwart gat kan vormen

Om te begrijpen waarom dit zo’n fundamenteel paradox vormt, moeten we kijken naar hoe klassieke zwarte gaten ontstaan. Een massieve ster beëindigt zijn leven in een spectaculaire ramp. De kern implodeert onder zijn eigen zwaartekracht, en de buitenste lagen worden weggeblazen in een supernova. De fysica achter deze implosies stelt echter een ondergrens aan de massa van het resulterende zwarte gat.

De theorie van stellaire evolutie is duidelijk: een gewone ster kan geen zwart gat vormen zo klein als de analyse van de gravitatiegolven van S251112cm suggereert. Als het signaal werkelijk afkomstig is van een miniatuur zwart gat, moet het zijn ontstaan via een volledig ander proces — onafhankelijk van de levenscyclus van sterren.

• Theoretische ondergrens voor stervormende zwarte gaten: ongeveer 3 zonsmassa’s
• Typisch massabereik voor stellaire zwarte gaten: van enkele tot tienduizenden zonsmassa’s
• Gebeurtenis S251112cm: object met een massa onder 1 zonsmassa
• Massa van witte dwergen: normaal tussen 0,6 en 1,4 zonsmassa’s
• Massa van neutronensterren: doorgaans tussen 1,4 en 2,0 zonsmassa’s
• Zwarte gaten gevormd uit supernova’s: minimaal 3 zonsmassa’s

Onderzoekers van het California Institute of Technology en collega’s van de University of Amsterdam voerden simulaties uit van verschillende implosiesscenario’s. Geen enkel scenario slaagde erin een zwart gat te produceren met zo’n lage massa als de LVK-gegevens aangeven. Dat betekent dat we op zoek moeten naar een ander vormingsmechanisme.

Als de huidige modellen kloppen, is er maar één uitweg: het object moet niet zijn ontstaan uit een ster, maar rechtstreeks uit dichtheidsfluctuaties in het vroege heelal. Dat opent de deur naar de fascinerende mogelijkheid van het bestaan van primordiale zwarte gaten.

Primordiale zwarte gaten: het exotische idee van Stephen Hawking

Hier betreden de zogenaamde primordiale zwarte gaten het toneel — objecten waarover Stephen Hawking al in de jaren zeventig theoretiseerde. In tegenstelling tot klassieke zwarte gaten ontstaan ze niet uit sterren. Hun oorsprong gaat terug tot fracties van een seconde na de Oerknal.

In het allervroegste heelal heersten extreme omstandigheden. Ondenkbare temperaturen, dichtheden en hevige fluctuaties in de verdeling van materie. In bepaalde gebieden kon materie zich zo dicht opeenhopen dat de lokale zwaartekracht collapseerde zonder tussenkomst van een ster, waardoor onmiddellijk een zwart gat ontstond.

Het scenario dat de onderzoekers voorstellen, vereist de vorming van het object tijdens een fase die verband houdt met kwantumchromodynamica — slechts enkele microseconden na het begin van het heelal. Dat was een tijdperk waarin gewone sterren nog niet eens bestonden, maar materie dramatische fasetransities onderging.

Als de interpretatie klopt, heeft het LVK-netwerk misschien voor het eerst een signaal geregistreerd van de botsing met zo’n oeroud zwart gat. Dat toont aan dat gravitatiegolven bezig zijn een instrument te worden, niet alleen om exotische sterren te bestuderen, maar ook de allereerste momenten van het heelal. Onderzoekers van het Max Planck Institute in Potsdam en CERN in Genève zijn al begonnen met het voorbereiden van meer gedetailleerde analyses.

Een miniatuur zwart gat zo groot als een stad

Wat betekent het eigenlijk dat een zwart gat een massa heeft van 0,87 zonsmassa’s? Het getal lijkt niet dramatisch laag — tot je kijkt naar de afmetingen. Zo’n object zou extreem compact zijn, met een diameter van ongeveer 5 kilometer.

Dat komt neer op een massa vergelijkbaar met die van de Zon, samengeperst in een gebied zo groot als een middelgrote stad. Zulke extreme dichtheden lijken alleen mogelijk in de tijd kort na de Oerknal, toen materie hevige fasetransities doormaakte. Ter vergelijking: onze Zon heeft een diameter van ongeveer 1,4 miljoen kilometer.

Stel je voor dat je de volledige massa van de Zon perst in een bol kleiner dan Brussel. Zo’n object zou een zwaartekrachtveld creëren zo sterk dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen. De Schwarzschild-straal zou feitelijk slechts die vijf kilometer bedragen — maar de gravitationele invloed zou enorm zijn.

Fysici van de Princeton University hebben berekend dat de dichtheid in zo’n object waarden zou bereiken vergelijkbaar met die van atoomkernen, maar verspreid over een aanzienlijk groter volume. Dat zijn omstandigheden die je simpelweg niet aantreft in het huidige heelal — tenzij je kijkt in de kern van een neutronenster of een zwart gat.

Donkere materie: is de mysterieuze massa eigenlijk een zwerm minigatjes?

Als de interpretatie van S251112cm als een spoor van een primordiaal zwart gat wordt bevestigd, zullen de gevolgen veel verder reiken dan de classificatie van een exotisch object. De vraag naar de aard van donkere materie komt dan in beeld.

Astronomen weten al tientallen jaren dat zichtbare materie — sterren, gas, stof — slechts een klein deel uitmaakt van het kosmische puzzel. Een extra massa beïnvloedt het gedrag van sterrenstelsels, sterrenhopen en grote kosmische structuren, zonder dat ze zichtbaar is in enig deel van het elektromagnetische spectrum. Ze noemden het donkere materie.

Jarenlang zocht men naar hypothetische nieuwe deeltjes. Van de beroemde WIMP’s over exotische lichte bosonen tot axionen. Herhaalde experimenten in ondergrondse deeltjesdetectoren in laboratoria zoals Gran Sasso in Italië en Soudan in Minnesota eindigden echter in stilte. In deze context beginnen miniatuur zwarte gaten als een steeds overtuigender alternatief te klinken.

De analyse suggereert dat primordiale zwarte gaten — bij het juiste aantal en de juiste massaverdeling — potentieel een aanzienlijk deel, mogelijk zelfs al, de donkere materie zouden kunnen verklaren, zonder dat nieuwe elementaire deeltjes hoeven te worden ingevoerd. In dit scenario zou het heelal gevuld zijn met piepkleine zwarte gaten, discreet verspreid in de halo’s van sterrenstelsels en in de ruimte tussen sterrenhopen.

Onderzoekers van de University of California in Berkeley en het Kavli Institute for Cosmological Physics in Chicago hebben computermodellen gemaakt van de verdeling van primordiale zwarte gaten. De simulaties tonen aan dat deze objecten bij de juiste dichtheid en massaverdeling de gravitatie-effecten die aan donkere materie worden toegeschreven bijna perfect zouden kunnen nabootsen.

In het dagelijkse leven zouden ze vrijwel onzichtbaar zijn, maar hun gecombineerde gravitationele invloed zou het sterrenstelselgedrag verklaren dat astronomen waarnemen. Dat zou ons begrip van de structuur van het heelal fundamenteel veranderen en mogelijk ook de richting van toekomstig onderzoek in de deeltjesfysica.

Onderzoekers temperen het enthousiasme: voorlopig slechts een sterke kandidaat

Ondanks het grote enthousiasme in de onderzoekswereld bewaren wetenschappers nog steeds een professionele afstand. De analyse, gepubliceerd op de server arXiv en ingediend bij het gerenommeerde tijdschrift The Astrophysical Journal Letters, doorloopt nog steeds het peer review-proces. De onderzoekers spreken expliciet over een “kandidaat” voor een primordiaal zwart gat.

Er moet nog worden onderzocht of het signaal niet anders kan worden verklaard — bijvoorbeeld als het effect van complexe wisselwerkingen in extreem dichte sterrenhopen. In dergelijke omgevingen kunnen ronddraaiende objecten meervoudige systemen vormen, waarbij een reeks botsingen en invangingen gecompliceerde gravitatiegolven genereren.

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge en het European Southern Observatory in Garching beoordelen voorlopig dat de interpretatie met een primordiaal zwart gat de eenvoudigste en best door de gegevens ondersteunde is. De fysici missen echter nog één cruciaal element: herhaling.

Als de LVK-detectoren tijdens de lopende observatiecampagne nog een vergelijkbaar signaal registreren met een object onder de zonsmassa, zal de hypothese van primordiale zwarte gaten een heel ander gewicht krijgen. Van een theoretische curiositeit zou ze transformeren in een nieuwe categorie van reële kosmische objecten met gevolgen voor de gehele kosmologie.

Hoe LIGO, Virgo en Kagra werken — de “oren” die luisteren naar de ruimtetijd

Gravitatiegolven zijn microscopische trillingen in de structuur van de ruimtetijd zelf. Om ze te registreren hebben onderzoekers gigantische interferometers gebouwd — apparaten die minimale afstandsveranderingen meten tussen spiegels in tunnels van meerdere kilometers lengte.

LIGO in de VS, Virgo in Italië en Kagra in Japan vormen samen een wereldwijd netwerk van “oren” dat luistert naar verre kosmische rampen. Wanneer een gravitatiegolf de Aarde passeert, verkort ze licht de ene arm van het interferometer en verlengt ze de andere. De verandering is kleiner dan de diameter van een proton, maar het gevoelige apparaat is in staat deze te registreren.

• LIGO Hanford in de staat Washington: armen van 4 kilometer lengte
• LIGO Livingston in Louisiana: identieke configuratie als Hanford
• Virgo bij Pisa in Italië: armen van 3 kilometer lengte, verbetert de precisie bij het lokaliseren van bronnen
• Kagra in de prefectuur Gifu in Japan: ondergrondse detector gekoeld tot zeer lage temperaturen
• Lasersystemen: vermogen tot 200 watt voor maximale gevoeligheid
• Spiegels: tot 40 kilogram kwartsglas met ultrazuiver oppervlak
• Vacuümtunnels: druk lager dan op het oppervlak van de Maan om interferentie te elimineren
• Seismische isolatie: meerlaagse ophangingssystemen dempen trillingen met tot zes grootteklassen

Dankzij de samenwerking tussen deze drie instrumenten kunnen onderzoekers niet alleen de vorm van de golven meten, maar ook de parameters van de betrokken objecten reconstrueren: massa, afstand en zelfs rotatie. Het was precies deze methode die de ontdekking mogelijk maakte dat de gebeurtenis S251112cm een object onder de zonsmassa omvatte.

Wanneer enorme massa’s zoals zwarte gaten om elkaar heen cirkelen en botsen, “beroeren” ze de ruimtetijd zo intens dat het effect van die storm miljarden lichtjaren ver reikt. LIGO en de overige detectoren registreren geen afbeelding van het object — enkel de nauwkeurige registratie van hoe de lengte van de armen van het interferometer verandert.

Op basis van deze curve past een computer het beste botsingsmodel aan en extraheert informatie over de massa’s en het type van de betrokken objecten. Het proces vereist supercomputers bij het National Center for Supercomputing Applications in Urbana-Champaign en aanvullende rekencentra over de hele wereld.

Wat nu: de jacht op meer minigatjes en de gevolgen voor de fysica

Als de interpretatie met een primordiaal zwart gat de kritiek doorstaat, mag men in de komende jaren een golf van nieuwe studies verwachten. Astronomen zullen archieven van eerdere LVK-campagnes doorzoeken op zoek naar bijkomende, over het hoofd geziene signalen met objecten onder de zonsmassa.

Tegelijkertijd zullen theoretici beginnen de modellen voor de vorming van primordiale zwarte gaten aan te passen aan de nieuwe beperkingen. Hoe vaak konden ze ontstaan? Welke typische massa nemen ze aan? Kan hun populatie donkere materie werkelijk verklaren? Dat vereist correctie van de scenario’s voor de evolutie van het vroege heelal, inclusief de fasen die verband houden met zeer vroege materie-omzettingen.

Voor niet-specialisten klinkt het hele onderwerp abstract, maar het heeft verrassend concrete gevolgen. Mocht donkere materie blijken enkel een wolk van miniatuur zwarte gaten te zijn, dan zou dat de manier veranderen waarop toekomstige ruimtemissies worden gepland. Het zou de voorspellingen beïnvloeden voor signalen in neutrinodetectoren zoals IceCube op de Zuidpool of het project KM3NeT in de Middellandse Zee.

Een deel van de geplande kostbare installaties zou zijn doel kunnen verliezen, en in hun plaats zouden nieuwe ideeën opkomen — met meer nadruk op gravitatiegolfastronomie. Het Europees Ruimteagentschap ESA bereidt al de missie LISA voor, een ruimtegebaseerd interferometer dat naar verwachting gevoeliger zal zijn dan de aardse detectoren.

Voor wie dit gebied volgt, is het de moeite waard een paar concepten te verduidelijken. Donkere materie “zuigt” geen energie van sterren op en vormt ook geen directe bedreiging voor de Aarde. Haar invloed is vrijwel uitsluitend gravitationeel. Als ze bestaat uit miniatuur zwarte gaten, blijft hun dichtheid in onze omgeving zo laag dat de kans op een nauwe ontmoeting met één ervan verwaarloosbaar klein is gemeten over de gehele geschiedenis van de mensheid.

Elk nieuw geregistreerd signaal met zulke kleine zwarte gaten biedt de mogelijkheid om de zwaartekrachttheorie te testen onder extreme omstandigheden. Dat kan aanwijzingen geven voor waar men nieuwe fysica moet zoeken, voorbij de algemene relativiteitstheorie en het standaardmodel van de deeltjes. In de praktijk is het precies uit dit soort schijnbaar hermetisch onderzoek dat technologieën voortkomen die jaren later hun weg vinden naar het dagelijks leven — van satellietnavigatie met GPS tot geavanceerde methoden voor medische beeldvorming met magnetische resonantie. Ze hebben allemaal hun wortels in fundamenteel onderzoek dat oorspronkelijk leek op pure theorie zonder praktische toepassing.