Ver weg in de diepten van de ruimte komen twee zwarte gaten in een spiraal naar elkaar toe en versmelten. Krachtige zwaartekrachtgolven van die dodendans razen door de kosmos tot hun rimpelingen drie reusachtige detectoren op aarde bereiken: twee met het in de VS gevestigde Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) en Europa’s Virgo-detector in Italië.

De detectoren hebben de afgelopen 5 jaar tientallen van dergelijke cataclysmen gedetecteerd, maar die van 21 mei 2019 was anders. Niet alleen was het de krachtigste en verste fusie ooit gezien, maar het resulterende zwarte gat behoort ook tot een klasse van langgezochte middelzware zwarte gaten, rapporteren leden van de LIGO-Virgo-samenwerking vandaag in twee nieuwe studies. Het is echter raadselachtig dat de twee zwarte gaten die zijn gefuseerd zwaarder zijn dan verwacht: Hun massa’s vallen in een gat waarin het volgens theoretici onmogelijk is een zwart gat te maken via de gebruikelijke weg van een instortende ster.

Zwarte gaten van stellaire klasse ontstaan gewoonlijk wanneer de nucleaire brandstof van een grote ster opraakt en de kolkende motor van licht en warmte stopt. Zonder de druk naar buiten storten de buitenste lagen van de ster onder de zwaartekracht in elkaar, waardoor een kolossale supernova ontstaat en een zwart gat achterblijft. Maar in de allergrootste sterren is de ineenstorting nog catastrofaler, met als gevolg een op hol geslagen thermonucleaire explosie die de ster vernietigt en niets achterlaat. Theoretisch betekent dit dat er een grens zou moeten zijn voor de massa van zwarte gaten bij ongeveer 65 zonsmassa’s.

Tot mei 2019 ondersteunden de door LIGO en Virgo gedetecteerde samensmeltingen van zwarte gaten deze grens grotendeels. Toen kwam de gebeurtenis die bekend staat als GW190521, die slechts een tiende van een seconde duurde. Het werd niet opgemerkt door de gebruikelijke algoritmen die scannen op binaire fusies (die meestal enkele malen langer duren), maar werd opgepikt door een aparte pijplijn die zoekt naar “dingen die knallen,” zegt Nelson Christensen, een natuurkundige aan de Cote d’Azur Observatory in Nice en een lid van het LIGO-Virgo team.

Hoewel het signaal kort was – slechts vier op-en-neergaande golfcycli – kon het team het toch analyseren, de amplitude ontleden, de vorm en hoe de frequentie veranderde in de tijd. “Het was erg moeilijk te interpreteren,” zegt teamlid Alessandra Buonanno, directeur van het Max Planck Instituut voor Zwaartekrachtfysica (Albert Einstein Instituut). “

In twee vandaag gepubliceerde artikelen – één over de detectie in Physical Review Letters, en één over de interpretatie van de gegevens in The Astrophysical Journal Letters – zegt het gezamenlijke LIGO-Virgo team dat het model dat het beste past bij de gegevens, bestaat uit twee zwarte gaten – met een gewicht van ongeveer 66 en 85 zonsmassa’s – die samensmelten tot een zwart gat van 142 zonnen. De resterende acht zonsmassa’s zouden zijn omgezet in gravitatiegolvenergie. “Het was aanzienlijk groter dan alles wat we tot nu toe hadden gezien,” zegt Christensen. Een zwart gat met 142 zonsmassa’s is meteen een klasse apart. Terwijl astronomen al lang kleinere zwarte gaten kennen en reuzen in galactische centra die uit miljoenen of miljarden zonnen bestaan, zijn die van gemiddelde grootte – van 100 tot 100.000 zonnemassa’s – opvallend afwezig. Astronomen denken dat ze nodig zijn als bouwstenen voor de superzware zwarte gaten, en er is indirect bewijs voor hun bestaan, maar dit is misschien de meest overtuigende waarneming tot nu toe, zij het aan de onderkant van de reeks. “Dit is slechts een hint dat er iets is in dit massabereik,” zegt astrofysicus Avi Loeb van de Harvard Universiteit, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Misschien interessanter voor astrofysici is de oorsprong van de twee samensmeltende zwarte gaten. Het lichtere gat ligt precies op de grens van de massakloof, dus het zou heel goed uit een enkele reusachtige ster kunnen zijn ontstaan. Maar 85 zonsmassa’s is moeilijk te verklaren. “Het is opwindend omdat het onverwacht was,” zegt Loeb. “De massakloof was robuust, maar nu staat de deur open voor nieuwe modellen.”

In hun interpretatieve paper keek het team naar veel mogelijke verklaringen. De zwarte gaten zouden oergaten kunnen zijn, die er al waren sinds de maalstroom van het vroege heelal, voordat de eerste sterren werden geboren. Of het kunnen kleine zwarte gaten zijn geweest, met een fusie die werd vergroot door zwaartekrachtlensing. Of misschien – en dat is exotischer – zijn de rimpelingen afkomstig van kosmische slierten, hypothetische defecten in het vacuüm die zijn overgebleven van de oerknal. Maar geen van deze verklaringen paste zo goed bij de gegevens als een paar samensmeltende zwaargewichten. Dus viel het team terug op het “goede oude scheermes van Occam”, aldus Christensen: De eenvoudigste verklaring is waarschijnlijk correct.

Loeb denkt dat de zwaargewichten waarschijnlijk “multigenerationeel” zijn, waarbij kleinere zwarte gaten in dichte stervormingsgebieden meerdere keren samensmelten om massa’s boven de cutoff te produceren. Sterrenstelsels worden vaak omringd door dichte sterrenklonten, die bolvormige sterrenhopen worden genoemd. Deze kunnen honderdduizenden oude sterren bevatten: ideale broedplaatsen voor zwarte gaten. Naarmate de zwarte gaten naar het centrum van de bolvormige sterrenhoop zakken, is de kans groter dat ze met anderen samensmelten. “Deze omgevingen zijn gespecialiseerd, en daarom vinden we ze nu pas,” zegt hij, nadat LIGO en Virgo meer dan 60 samensmeltingen hebben waargenomen.

Maar de clusters bevatten waarschijnlijk zwarte gaten van verschillende massa’s, en scheve samensmeltingen produceren asymmetrische ontploffingen die het nieuwe zwarte gat met wel 1000 kilometer per seconde uit de cluster kunnen schoppen. Om clusters als kraamkamers voor zwarte gaten in de massakloof te laten fungeren, moeten de terugslagen laag zijn en moeten de clusters massief genoeg zijn om te voorkomen dat ze ontsnappen, zegt Loeb.

LIGO en Virgo worden opgewaardeerd en zullen in 2022 opnieuw beginnen met waarnemingen met verhoogde gevoeligheid, waardoor ze drie keer zo veel van de kosmos kunnen onderzoeken. Het vinden van meer van zulke zware fusies zal ons “meer leren over de astrofysica van dergelijke stellaire kraamkamers,” zegt Loeb. “Hoe meer gebeurtenissen we hebben, hoe meer aanwijzingen over hun oorsprong.”