Categorieën
Astronomie Het Heelal

Een zwart gat zo groot dat het ‘niet zou mogen bestaan’

Op het spel staan ​​fundamentele ideeën over hoe zwarte gaten ontstaan ​​- en een zesvoudige weddenschap.

Natuurkundigen van het zwarte gat hebben opgewonden berichten besproken dat de zwaartekrachtgolfdetectoren LIGO en Virgo onlangs het signaal hebben opgevangen van een onverwacht enorm zwart gat, een met een massa waarvan werd gedacht dat het fysiek onmogelijk was.

“De voorspelling is geen zwarte gaten, zelfs niet een paar” in dit massabereik , schreef Stan Woosley , een astrofysicus aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, in een e-mail. “Maar we weten natuurlijk dat de natuur vaak een manier vindt.”

Zeven experts waarmee Quanta contact had opgenomen, zeiden dat ze hadden gehoord dat van de 22 vlagen van zwaartekrachtgolven die sinds april door LIGO en Virgo zijn gedetecteerd, een van de signalen afkomstig was van een botsing met een zwart gat met een onverwacht gewicht – naar verluidt zo zwaar als 100 zonnen. LIGO / Virgo-teamleden zouden de geruchten opsporing niet bevestigen of ontkennen.

Update: op 2 september 2020 bevestigden onderzoekers dat de botsende zwarte gaten 65 en 85 keer zo groot waren als die van onze zon. Het resulterende zwarte gat was 150 keer zo zwaar als de zon. ]

Chris Belczynski, een astrofysicus aan de Universiteit van Warschau, was er eerder zo zeker van dat zo’n groot exemplaar niet te zien zou zijn dat hij in 2017 een weddenschap sloot met collega’s. “Ik denk dat we op het punt staan ​​de weddenschap te verliezen,” zei Belczynski, “en voor het welzijn van de wetenschap!”

Belczynski’s vroegere vertrouwen kwam voort uit het feit dat zo’n groot zwart gat zich niet op de gebruikelijke manier kan vormen.

Zwarte gaten – dichte, door paradoxen geteisterde bollen waarvan de zwaartekracht alles vasthoudt, zelfs licht – ontstaan ​​uit de samentrekkende kernen van door brandstof verbruikte sterren. Maar in 1967 realiseerden drie natuurkundigen aan de Hebreeuwse Universiteit in Jeruzalem zich dat wanneer de kern van een stervende ster erg zwaar is, deze niet door zwaartekracht in een zwart gat zal instorten. In plaats daarvan zal de ster een “paar-instabiliteitsupernova” ondergaan, een explosie die hem in enkele seconden volledig vernietigt en niets achterlaat. “De ster is volledig verspreid in de ruimte”, schreven de drie natuurkundigen.

Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine;

Een paarinstabiliteitsupernova vindt plaats wanneer de kern zo heet wordt dat licht spontaan begint om te zetten in elektronen-positronparen. De stralingsdruk van het licht had de kern van de ster intact gehouden; wanneer het licht in materie verandert, zorgt de resulterende drukval ervoor dat de kern snel krimpt en nog heter wordt, wat de productie van paren verder versnelt en een op hol geslagen effect veroorzaakt. Uiteindelijk wordt de kern zo heet dat zuurstof ontbrandt. Dit keert de implosie van de kern volledig om, zodat deze in plaats daarvan explodeert. Voor kernen met een massa tussen ongeveer 65 en 130 keer die van onze zon (volgens huidige schattingen), is de ster volledig uitgewist. Kernen tussen ongeveer 50 en 65 zonsmassa’s pulseren, waarbij massa wordt afgeworpen in een reeks explosies totdat ze onder het bereik vallen waar paarinstabiliteit optreedt. Er mogen dus geen zwarte gaten zijn met massa’s in het bereik van 50 tot 130 zonnemassa.

“De voorspelling komt voort uit eenvoudige berekeningen”, zei Woosley, wiens studie uit 2002 naar deze ” massakloof van paarinstabiliteit ” als definitief wordt beschouwd.

Zwarte gaten kunnen bestaan ​​aan de andere kant van de massakloof, met een gewicht van meer dan 130 zonsmassa’s, omdat de op hol geslagen implosie van zulke zware sterrenkernen niet kan worden gestopt, zelfs niet door zuurstoffusie; in plaats daarvan blijven ze instorten en vormen ze zwarte gaten. Maar omdat sterren hun hele leven massa afwerpen, zou er een ster moeten worden geboren die minstens 300 zonnen weegt om te eindigen als een kern van 130 zonsmassa, en zulke kolossen zijn zeldzaam. Om deze reden gingen de meeste experts ervan uit dat zwarte gaten die door LIGO en Virgo werden gedetecteerd, hun top zouden moeten bereiken bij ongeveer 50 zonsmassa’s, het onderste uiteinde van de massakloof. (De superzware zwarte gaten van miljoenen en miljarden zonne-energie die de centra van sterrenstelsels verankeren, vormden zich op een andere en nogal mysterieuze manier in het vroege universum. LIGO en Maagd zijn mechanisch niet in staat de botsingen van superzware zwarte gaten te detecteren.)

De voorwaarden van een weddenschap over de vraag of er zwarte gaten zouden worden gedetecteerd in het bereik tussen 55 en 130 zonsmassa’s. 
(De weddenschap, die werd georkestreerd door Ilya Mandel van Monash University, werd later gewijzigd om twee extra ondertekenaars toe te voegen en te specificeren dat elke verliezer elke winnaar een fles van $ 100 verschuldigd zou zijn.)
Met dank aan Carl Rodriguez

Dat gezegd hebbende, voorspelden een paar experts stoutmoedig dat zwarte gaten in de massakloof zouden worden gezien – vandaar de weddenschap van 2017.

Tijdens een bijeenkomst in februari in het Aspen Center for Physics, wedden Belczynski en Daniel Holz van de Universiteit van Chicago dat “zwarte gaten niet zouden mogen bestaan ​​in het massabereik tussen 55 en 130 zonsmassa’s vanwege paarinstabiliteit”, en dat er dus geen worden gedetecteerd tussen de eerste 100 signalen van LIGO / Virgo. Woosley tekende later samen met Belczynski en Holz.

Maar Carl Rodriguez van het Massachusetts Institute of Technology en Sourav Chatterjee van het Tata Institute for Fundamental Research in Mumbai, India, later vergezeld door Fred Rasio van Northwestern University, wedden tegen hen en gokten dat er inderdaad een zwart gat zou worden ontdekt in de massakloof. , omdat er een omweg is om deze zwarte gaten van grote omvang te vormen.

Terwijl de meeste van de botsende zwarte gaten die de instrumenten van LIGO en Virgo bewegen, waarschijnlijk afkomstig zijn van paren van geïsoleerde sterren (dubbelstersystemen komen veel voor in de kosmos), beweren Rodriguez en zijn mede-ondertekenaars dat een fractie van de gedetecteerde botsingen plaatsvindt in dichte sterrenomgevingen zoals bolvormige sterrenhopen. De zwarte gaten slingeren in elkaars zwaartekracht, en soms vangen ze elkaar op en versmelten ze, als grote vissen die kleinere in een vijver inslikken.

Binnen een bolvormige cluster zou bijvoorbeeld een zwart gat van 50 zonsmassa kunnen versmelten met een 30 zonsmassa, en dan zou de resulterende reus weer kunnen samensmelten. Deze fusie van de tweede generatie is wat LIGO / Virgo misschien heeft ontdekt – een gelukkige vangst van de grote vissen in de vijver. “Dit kan eigenlijk alleen gebeuren in clusters”, zei Rodriguez. Als het gerucht waar is, ontvangen hij, Chatterjee en Rasio elk een fles wijn van $ 100 van Belczynski, Holz en Woosley.

Maar er zijn andere mogelijke oorsprongsverhalen voor het vermeende grote zwarte gat. Misschien begon het in een geïsoleerd dubbelstersysteem. Nadat de eerste ster in een zwart gat was ingestort, kan hij zijn gegroeid door materie van zijn begeleidende ster te verwijderen. Later zou de tweede ster ook zijn ingestort, en uiteindelijk zouden de twee in botsing zijn gekomen en samengevoegd, waardoor zwaartekrachtgolven door het weefsel van de ruimte-tijd zouden zijn gestort.

Het LIGO / Virgo-team kondigt snel elke mogelijke zwaartekrachtgolfgebeurtenis aan en het gebied van de hemel waaruit het afkomstig is, zodat andere telescopen in die richting kunnen draaien. Maar het team met gesloten lippen moet nog gedetailleerde informatie publiceren over elke gebeurtenis uit de huidige observatierun die in april begon, zoals de afgeleide afmetingen van de botsende objecten. Het team is van plan om alles uiterlijk in het voorjaar van 2020 te onthullen. Als het te grote zwarte gat tot de resultaten behoort, moet de analyse ook uitwijzen hoe snel het gat en zijn metgezel draaiden toen ze botsten; deze informatie zal helpen om het ene of het andere oorsprongsverhaal te begunstigen, of geen van beide.

Het gerucht “duwt ons naar alternatieve vormingsmechanismen”, zei Chris Fryer , een astrofysicus aan het Los Alamos National Laboratory die de vorming van binaire zwarte gaten en de massakloof heeft bestudeerd. “Het wordt in ieder geval een spannende gebeurtenis – als het waar is.”

Wat Woosley betreft, hij is er nog steeds van overtuigd dat de massakloof bestaat, ondanks mogelijke uitzonderingen. “Een waarschijnlijke uitkomst zal zijn dat wanneer we honderden zwarte gaten hebben, we inderdaad een klif zullen zien rond de 50”, zei hij, “maar met een paar gebeurtenissen in de kloof omdat de natuur een vacuüm verafschuwt.”

VERWANT:

  1. Botsende zwarte gaten vertellen een nieuw verhaal over sterren
  2. Probeer drie om twee zwarte gaten te laten botsen
  3. Zwaartekrachtgolven eindelijk ontdekt

Dit artikel is herdrukt op TheAtlantic.com .


Gepubliceerd op:

Quanta Magazine

Door:

Natalie Wolchover

Senior Writer/Editor


Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.