Ons sterrenstelsel, de Melkweg, bevat mogelijk zwarte gaten die zijn ontstaan in de eerste momenten na de oerknal. De drie zwarte gaten die het dichtst bij de aarde liggen lijken verdacht veel op dit soort ‘oer-zwartegaten’.
De drie zwarte gaten die zich het dichtst bij de aarde bevinden, dateren mogelijk van kort na de oerknal. Nieuwe modellen die laten zien hoe zulke ‘primordiale zwarte gaten’ rond andere kosmische objecten draaien, kloppen met de ongewone eigenschappen van het naburige drietal.
Donkere gaten
Zwarte gaten ontstaan meestal wanneer zware sterren aan het einde van hun leven in elkaar klappen. Maar voordat er überhaupt sterren bestonden, kort na de oerknal, zijn er misschien al kleine zwarte gaten ontstaan op de plaatsen met bijzonder hoge materieconcentraties.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Zulke primordiale zwarte gaten zijn nog nooit gezien, maar áls ze bestaan – en als er genoeg van zijn – dan kunnen ze het mysterie rondom donkere materie oplossen. Deze vorm van materie, waarvan we niet weten wat het is, oefent zwaartekracht uit op objecten in het heelal. Als primordiale zwarte gaten bestaan, kunnen ze deze zwaartekrachtseffecten verklaren.
Wisseltruc
Zwarte gaten zijn, net als donkere materie, niet direct te zien. Om ze te vinden, moeten we kijken naar de invloed die ze uitoefenen op de objecten in hun omgeving. Daarom voerden astronoom Benjamin Lehmann van de Amerikaanse universiteit MIT en zijn collega’s een reeks simulaties uit van uitwisselingsprocessen: veelvoorkomende scenario’s waarbij van twee om elkaar heen cirkelende objecten, er een uit zijn baan geschoten wordt, en vervangen door een primordiaal zwart gat.
Omdat primordiale zwarte gaten niet bestaan uit ineengestorte sterren, kunnen ze veel lichter zijn dan gewone zwarte gaten. De onderzoekers simuleerden zwarte gaten met een massa die vergelijkbaar is met die van planetoïden (kleine ruimterotsen), planeten en sterren, om te zien of deze verschillende gaten detecteerbaar zouden zijn.
Ze ontdekten dat als er primordiale zwarte gaten bestaan, de gaten in de gewichtsklasse van planetoïden ook rond planetoïden moeten draaien. Zwarte gaten met een massa van planeten of sterren draaien rond sterren. En dat alles zou moeten gebeuren in de buurt van de aarde. De kleinere varianten zouden alleen zo zeldzaam en zo moeilijk te vinden zijn, dat we alleen de zwarte gaten met sterren-massa’s kunnen detecteren.
Zoek de verschillen
Het probleem is alleen dat zwarte gaten met de massa van sterren ook op de gebruikelijke ingestorte-ster-manier kunnen ontstaan. Het is dus moeilijk te onderscheiden of zo’n zwart gat primordiaal is, of ‘gewoon’ uit een ster is ontstaan. Het zou ‘heel moeilijk’ zijn om het verschil te zien, tenzij we een zwart gat zien dat veel kleiner is dan een ster, zegt sterrenkundige Juan García-Bellido van de Autonome Universiteit van Madrid in Spanje.
Maar misschien kunnen wel dit wel bepalen aan de hand van de kenmerken van de baan die het zwart gat volgt, zoals de diameter of snelheid, zegt hij.
Interessant genoeg identificeerden de onderzoekers vervolgens een aantal zwarte gaten met vreemde baaneigenschappen die passen bij het scenario van een primordiaal zwart gat. Het gaat om de zwarte gaten Gaia BH1, BH2 en BH3. Dit zijn de drie dichtstbijzijnde zwarte gaten die we kennen. Ze zijn alledrie pas in de afgelopen twee jaar ontdekt.
‘Het is echt een raadsel’, zegt Lehmann. ‘Op dit moment zijn de stelsels nog zo ‘nieuw’ dat er geen tijd is geweest voor de astrofysicagemeenschap om tot een duidelijke consensus te komen over wat de mogelijke oorsprongsscenario’s zijn.’
Weg met de WIMP
Als een van deze zwarte gaten inderdaad primordiaal is, kan dat het onderzoek naar donkere materie op zijn kop zetten. In principe zou het één donkere-materie-kandidaat uitsluiten: de zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP’s), al tientallen jaren de favoriete kandidaat.
‘Op het moment dat je ook maar een klein deel van de donkere materie met primordiale zwarte gaten verklaart, is het in principe onmogelijk om de rest met WIMP’s te verklaren’, zegt Lehmann. Dat geldt althans voor de standaardtheorie over WIMP’s. Hij voegt wel toe dat we nog veel meer stelsels moeten vinden die door uitwisselingsprocessen zijn gevormd, om er zeker van te zijn dat ze primordiale zwarte gaten bevatten.
