Fysici hebben mogelijk voor het eerst een minuscuul primordiaal zwart gat gevangen

Een kosmisch signaal dat elke verklaring trotseert

Het wetenschappelijke team dat werkt met de detectoren LIGO, Virgo en Kagra heeft een buitengewone “trilling” in de ruimtetijd geregistreerd. Uit de analyse blijkt dat bij een kosmische botsing een object betrokken was dat lichter is dan de Zon — veel te klein om overeen te komen met welk bekend type zwart gat dan ook.

Het verhaal draait om een object dat volgens de huidige theorieën over sterevolutie simpelweg niet zou mogen bestaan. Steeds nadrukkelijker klinkt de mogelijkheid dat dit de eerste spoor is van een zogenaamd primordiaal zwart gat, gevormd in de allereerste ogenblikken na het ontstaan van het universum.

Tientallen zwaartekrachtsgolven, maar deze is anders

Wetenschappers van het LVK-netwerk hebben al tientallen zwaartekrachtsgolven gedetecteerd — trillingen in de ruimtetijd die ontstaan door botsingen tussen objecten met een extreme massa, voornamelijk zwarte gaten of neutronensterren. Voor dit internationale team is het registreren van zulke gebeurtenissen inmiddels bijna routine. Het signaal S251112cm week echter volledig af van het vertrouwde patroon.

De analyse van de zwaartekrachtsgolven onthulde dat een van de twee bij de botsing betrokken 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 ten minste een van de objecten lichter was dan één zonsmassa. Dit scenario past niet in de standaardmodellen van sterevolutie die fysici gebruiken om de levenscyclus van sterren te beschrijven.

S251112cm: het signaal dat aan elke verklaring weerstaat

Wetenschappers hebben alle voor de hand liggende verklaringen onderzocht. Een neutronenster? Een witte dwerg? Deze objecten kunnen inderdaad lichter zijn dan de Zon. Het probleem is dat hun botsingen doorgaans ook uitbarstingen van elektromagnetische straling produceren die telescopen oppikken.

Deze keer hebben telescopen die werken in het röntgen-, zichtbaar-licht- en gammaspectrum helemaal niets geregistreerd. Alleen zwaartekrachtsgolven werden opgemeten, precies zoals bij een klassieke botsing tussen twee zwarte gaten. Dit patroon is voor astronomen een cruciaal aanwijzing.

Wetenschappers van het observatorium LIGO in Hanford en Livingston, samen met collega’s van de detector Virgo nabij Pisa, in Italië, en van Kagra in de prefectuur Gifu, in Japan, voerden een gedetailleerde analyse van het signaal uit. Alle drie de stations bevestigden dat het noch om technische ruis noch om lokale interferentie gaat, maar om een echte kosmische gebeurtenis. De kans op een vals alarm bedraagt minder dan één procent.

De gegevens van de interferometers tonen de kenmerkende chirp — de geleidelijke versnelling van de golffrequentie vlak voor de botsing. Uit de vorm van deze curve kunnen fysici de massa’s van de objecten, hun afstand en hun globale positie aan de hemel afleiden. Precies via deze methode werd duidelijk dat een van de objecten ruimschoots onder de theoretische ondergrens van de massa van een stellair zwart gat lag.

Waarom een gewone ster geen zo klein zwart gat kan vormen

Om te begrijpen waarom dit zo’n opmerkelijke paradox is, moet je weten hoe klassieke zwarte gaten ontstaan. Een massieve ster beëindigt zijn leven in een spectaculaire catastrofe: de kern implodeert onder zijn eigen gewicht en de buitenste lagen worden weggeblazen in een supernova. De fysica van deze implosies stelt echter een ondergrens aan de massa van het resulterende zwarte gat.

Theorieën over sterevolutie zijn ondubbelzinnig: een gewone ster kan geen zwart gat produceren dat zo klein is als gesuggereerd door de analyse van de zwaartekrachtsgolven van signaal S251112cm. Als het signaal werkelijk afkomstig is van een minuscuul zwart gat, moet dit via een volledig ander proces zijn gevormd, onafhankelijk van de levenscyclus van sterren.

• Theoretische ondergrens voor de massa van een stellair zwart gat: ongeveer 3 zonsmassa’s
• Typisch massabereik van stellaire zwarte gaten: van enkele tot tientallen zonsmassa’s
• Gebeurtenis S251112cm: object met een massa van minder dan 1 zonsmassa
• Massa van witte dwergen: doorgaans tussen 0,6 en 1,4 zonsmassa’s
• Massa van neutronensterren: grotendeels tussen 1,4 en 2,0 zonsmassa’s
• Zwarte gaten gevormd door supernova’s: minimaal 3 zonsmassa’s

Wetenschappers van het California Institute of Technology samen met collega’s van de University of Amsterdam voerden simulaties uit van diverse scenario’s voor stellaire instorting. Geen enkele simulatie slaagde erin een zwart gat te genereren met een zo lage massa als de gegevens van LVK aangeven. Dit betekent dat er gezocht moet worden naar een alternatief vormingsmechanisme.

Als de huidige modellen kloppen, blijft er slechts één mogelijkheid over: het object is niet ontstaan uit een ster, maar rechtstreeks uit dichtheidsfluctuaties in het vroege universum. Dit scenario opent de deur naar de fascinerende hypothese van het bestaan van primordiale zwarte gaten.

Primordiale zwarte gaten: het exotische idee van Stephen Hawking

Hier komen de zogenaamde primordiale zwarte gaten in beeld, onder meer getheorisiseerd door Stephen Hawking al in de jaren zeventig van de vorige eeuw. Anders dan klassieke zwarte gaten ontstaan ze niet uit sterren. Hun oorsprong gaat terug tot de fracties van een seconde na de Big Bang.

In het pasgeboren universum heersten extreme omstandigheden: onvoorstelbare temperaturen en dichtheden, hevige fluctuaties in de verdeling van materie. Op sommige plaatsen kon materie zich zo dicht ophopen dat de zwaartekracht lokaal instortte zonder de bijdrage van een ster, waardoor er onmiddellijk een zwart gat ontstond.

Het door onderzoekers voorgestelde scenario houdt in dat het object gevormd werd tijdens de fase die geassocieerd wordt met kwantumchromodynamica, slechts enkele microseconden na het begin van het universum. Dit was een tijdperk waarin gewone sterren nog niet bestonden, maar materie ingrijpende faseovergangen doormaakte.

Als de interpretatie klopt, heeft het LVK-netwerk mogelijk voor het eerst een signaal geregistreerd van de botsing van zo’n oeroud zwart gat met een ander object. Dit toont aan dat zwaartekrachtsgolven niet alleen een instrument worden om exotische sterren te bestuderen, maar ook de allereerste momenten van het bestaan van het universum. Wetenschappers van het Max Planck Institute in Potsdam en van het CERN in Genève zijn al begonnen met het voorbereiden van diepgaandere analyses.

Een minuscuul zwart gat ter grootte van een stad

Wat betekent een zwart gat met een massa van 0,87 zonsmassa’s concreet? Het getal lijkt niet zo laag totdat je de omvang ervan bekijkt. Zo’n object zou uiterst compact zijn, met een diameter van ongeveer 5 kilometer.

We hebben het over iets met een massa vergelijkbaar met die van de Zon, samengeperst in een gebied dat ongeveer zo groot is als een middelgrote stad. Zulke extreme dichtheden lijken alleen mogelijk in de momenten direct na de Big Bang, toen materie hevige faseovergangen onderging. Ter vergelijking: onze Zon heeft een diameter van ongeveer 1,4 miljoen kilometer.

Stel je voor dat je alle massa van de Zon samenperst in een bol kleiner dan Brussel. Zo’n object zou een zo intens zwaartekrachtsveld genereren dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen. De diameter van de gebeurtenishorizon van zo’n zwart gat zou werkelijk slechts die vijf kilometer bedragen, maar zijn gravitationele invloed zou enorm zijn.

Fysici van de Princeton University hebben berekend dat de dichtheid van zo’n object waarden zou bereiken vergelijkbaar met die van een atoomkern, maar verdeeld over een veel groter volume. Dit zijn omstandigheden die in het huidige universum simpelweg niet voorkomen, tenzij je kijkt naar het binnenste van een neutronenster of, inderdaad, een zwart gat.

Donkere materie: is die mysterieuze massa misschien een zwerm mini-zwarte gaten?

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

Al decennialang weten astronomen dat zichtbare materie — sterren, gas, stof — slechts een klein deel uitmaakt van het kosmische geheel. Op het gedrag van sterrenstelsels, sterrenstelselhopen en grote kosmische structuren werkt een onzichtbare extra massa in op elke golflengte. Men noemde het donkere materie.

Decennialang werd gezocht naar hypothetische deeltjes: van de beroemde WIMP’s tot exotische lichte bosonen en axionen. De opeenvolgende experimenten in ondergrondse deeltjesdetectoren in de laboratoria van Gran Sasso in Italië of van Soudan in Minnesota eindigden echter in stilte. In deze context begonnen minuscule zwarte gaten steeds meer naar voren te komen als alternatief.

De analyse suggereert dat primordiale zwarte gaten met het juiste aantal en de juiste massaverdeling een aanzienlijk deel — mogelijk zelfs het geheel — van de donkere materie zouden kunnen verklaren, zonder dat er nieuwe elementaire deeltjes hoeven te worden ingevoerd. In dit scenario zou het universum vol zitten met minuscule zwarte gaten, discreet verspreid in de halo’s van sterrenstelsels en in de intergalactische ruimte.

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

In het dagelijks leven zouden ze praktisch onzichtbaar zijn, maar hun collectieve gravitationele invloed zou het gedrag van sterrenstelsels verklaren dat astronomen waarnemen. Dit zou ons begrip van de structuur van het universum veranderen, en mogelijk ook de richting van toekomstig deeltjesfysica-onderzoek.

Wetenschappers houden het hoofd koel: voorlopig slechts een sterke kandidaat

Ondanks de grote opwinding in de wetenschappelijke gemeenschap bewaren onderzoekers een zekere voorzichtigheid. De analyse gepubliceerd op de server arXiv en ingediend bij het prestigieuze tijdschrift The Astrophysical Journal Letters wordt nog steeds onderworpen aan collegiale toetsing. Wetenschappers spreken uitdrukkelijk van een “kandidaat” voor een primordiaal zwart gat.

Het moet nog worden nagegaan of het signaal niet anderszins verklaard kan worden, bijvoorbeeld als effect van complexe interacties in buitengewoon dichte sterrenhopen. In zulke omgevingen kunnen objecten in een baan meervoudige systemen vormen waarin reeksen botsingen en vangsten plaatsvinden die complexe zwaartekrachtsgolven genereren.

Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge en van het European Southern Observatory in Garching zijn van mening dat momenteel alles wijst op de interpretatie van het primordiale zwarte gat als de eenvoudigste en meest gegevensconsistente verklaring. Fysici hebben echter nog een cruciaal element nodig: herhaling van de gebeurtenis.

Als de LVK-detectoren tijdens de lopende waarnemingscampagne een tweede vergelijkbaar signaal registreren van een object onder de zonsmassa, zou de hypothese van primordiale zwarte gaten een heel ander gewicht krijgen. Van een theoretische curiositeit zou het uitgroeien tot een nieuwe categorie reële kosmische objecten, met verstrekkende gevolgen voor de gehele kosmologie.

Hoe LIGO, Virgo en Kagra de ruimtetijd “beluisteren”

Zwaartekrachtsgolven zijn microscopisch kleine trillingen in de structuur van de ruimtetijd zelf. Om ze te detecteren, hebben wetenschappers gigantische interferometers gebouwd — instrumenten die minimale veranderingen in de afstand tussen spiegels in tunnels van meerdere kilometers lang meten.

LIGO in de Verenigde Staten, Virgo in Italië en Kagra in Japan vormen samen een wereldwijd netwerk van “oren” die luisteren naar verre kosmische catastrofes. Wanneer een zwaartekrachtsgolf door de Aarde trekt, verkort die ene arm van de interferometer enigszins en verlengt de andere. De variatie is kleiner dan de diameter van een proton, maar de apparatuur is gevoelig genoeg om die te meten.

• LIGO Hanford in de staat Washington: armen van 4 kilometer lang
• LIGO Livingston in Louisiana: identieke configuratie als Hanford
• Virgo nabij Pisa, in Italië: armen van 3 kilometer lang, verbetert de nauwkeurigheid bij de lokalisatie 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: massa tot 40 kilogram in kwartsglas met een ultrazuiver oppervlak
• Vacuümtunnels: druk lager dan op het maanoppervlak om interferentie te elimineren
• Seismische isolatie: meerlaagse ophangsystemen dempen trillingen tot zes grootteordes

Dankzij de samenwerking van deze drie instrumenten kunnen wetenschappers niet alleen de vorm van de golven meten, maar ook de parameters reconstrueren van de objecten die ze hebben gegenereerd: massa, afstand en zelfs rotatie. Precies via deze methode werd vastgesteld dat bij gebeurtenis S251112cm een object betrokken was dat lichter was dan de Zon.

Wanneer enorme massa’s zoals zwarte gaten om elkaar heen draaien en botsen, “beroeren” ze de ruimtetijd zo krachtig dat het effect van deze storm miljarden lichtjaren ver reikt. LIGO en de andere detectoren registreren geen afbeelding van het object, maar een nauwkeurige opname van hoe de lengte van de interferometerarmen varieert.

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

De volgende stap: de jacht op andere mini-zwarte gaten en de gevolgen voor de fysica

Als de interpretatie van het primordiale zwarte gat de kritiek doorstaat, wordt de komende jaren een offensief van nieuwe studies verwacht. Astronomen zullen de archieven van eerdere LVK-waarnemingscampagnes uitkammen op zoek naar andere over het hoofd geziene signalen met objecten onder de zonsmassa.

Tegelijkertijd zullen theoretici de modellen voor de vorming van primordiale zwarte gaten aanpassen aan de nieuwe beperkingen. Hoe vaak konden ze zich vormen? Welke typische massa namen ze aan? Kan hun populatie de donkere materie werkelijk verklaren? Dit impliceert een herziening van de evolutiescenario’s van het jonge universum, inclusief de fasen die geassocieerd worden met de allereerste transformaties van materie.

Voor niet-ingewijden lijkt het hele onderwerp abstract, maar het heeft verrassend concrete gevolgen. Als donkere materie eenvoudigweg een wolk van minuscule zwarte gaten zou blijken te zijn, 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 in het project KM3NeT in de Middellandse Zee.

Sommige geplande kostbare installaties zouden aan betekenis kunnen verliezen, en daarvoor in de plaats zouden nieuwe ideeën opkomen die sterker gericht zijn op de zwaartekrachtsgolfastronomie. Het Europees Ruimteagentschap ESA bereidt al de missie LISA voor, een ruimte-interferometer die gevoeliger zou moeten zijn dan aardse detectoren.

Voor wie dit domein volgt, is het nuttig enkele concepten te verduidelijken. Donkere materie “absorbeert” geen energie van sterren en vormt geen directe bedreiging voor de Aarde. De invloed ervan beperkt zich vrijwel uitsluitend tot de zwaartekracht. Als het zou bestaan uit minuscule zwarte gaten, zou hun dichtheid in onze nabije omgeving zo laag blijven dat de kans op een nauwe ontmoeting met een ervan verwaarloosbaar is over de gehele geschiedenis van de mensheid.

Elk nieuw geregistreerd signaal waarbij zulke kleine zwarte gaten betrokken zijn, biedt de kans om de gravitatietheorie in extreme omstandigheden te toetsen. Dit kan aangeven waar gezocht moet worden naar een nieuwe fysica die verder gaat dan de algemene relativiteitstheorie en het standaardmodel van deeltjes. In de praktijk komen juist uit schijnbaar hermetische onderzoeken als deze vaak technologieën voort die na jaren hun weg vinden naar het dagelijks leven — van GPS-satellietnavigatie tot geavanceerde medische beeldvormingstechnieken via magnetische resonantie, allemaal geworteld in fundamenteel onderzoek dat aanvankelijk puur theoretisch leek zonder praktische toepassingen.