Slapende reus verrast Gaia-wetenschappers

Materie in een zwart gat zit zo dicht opeengepakt dat niets aan de immense zwaartekracht kan ontsnappen, zelfs licht niet. De overgrote meerderheid van de zwarte gaten met stellaire massa die we kennen, slokt materie op van een nabije stergenoot. Het opgevangen materiaal valt met hoge snelheid op het ingestorte object, wordt extreem heet en maakt röntgenstralen  vrij. Deze systemen behoren tot een familie van hemellichamen die röntgenstralen maken.

Wanneer een zwart gat geen metgezel heeft die dichtbij genoeg is om materie van te stelen, genereert het geen licht en is het extreem moeilijk te herkennen. Deze zwarte gaten zijn zogenaamd “slapende”.

Ter voorbereiding op de release van de volgende Gaia-catalogus, Data release 4 (DR4), controleren wetenschappers de bewegingen van miljarden sterren en voeren ze complexe tests uit om te zien of er iets ongewoons is. De bewegingen van sterren kunnen worden beïnvloed door metgezellen: lichte, zoals exoplaneten; zwaardere, zoals sterren; of zeer zware, zoals zwarte gaten. Diverse teams betrokken bij de Gaia-missie onderzoeken  “vreemde” gevallen.

Een dergelijk team was diep betrokken bij dit werk, toen hun aandacht viel op een oude reuzenster in de Aquila-constellatie, op een afstand van 1926 lichtjaar van de aarde. Door de kleine beweging in het pad van de ster in detail te analyseren, vonden ze een grote verrassing. De ster zat opgesloten in een baanbeweging met een slapend zwart gat van uitzonderlijk hoge massa, ongeveer 33 keer die van de zon.

Dit is het derde slapende zwarte gat gevonden met Gaia en werd toepasselijk “Gaia BH3” genoemd. De ontdekking ervan is erg spannend vanwege de massa van het object. “Dit is het soort ontdekking dat je één keer in je onderzoeksleven doet”, roept Pasquale Panuzzo van CNRS, Observatoire de Paris, in Frankrijk, die de hoofdauteur van deze bevinding is. “Tot nu toe zijn zulke grote zwarte gaten alleen in verre sterrenstelsels ontdekt door de LIGO-Virgo-KAGRA-samenwerking, dankzij waarnemingen van zwaartekrachtsgolven.”

De gemiddelde massa van bekende zwarte gaten van sterrenoorsprong in ons sterrenstelsel is ongeveer 10 keer de massa van onze zon. Tot nu toe was het gewichtsrecord in handen van een zwart gat in een binaire röntgenstraling in de Cygnus-constellatie (Cyg X-1), waarvan de massa naar schatting ongeveer 20 keer zo groot is als die van de zon.

“Het is indrukwekkend om de transformationele impact te zien die Gaia heeft op astronomie en astrofysica”, zegt Prof. Carole Mundell, ESA Director of Science. “De ontdekkingen reiken veel verder dan het oorspronkelijke doel van de missie, namelijk het creëren van een buitengewoon precieze multidimensionale kaart van meer dan een miljard sterren in onze Melkweg.”

Ongeëvenaarde nauwkeurigheid

De uitstekende kwaliteit van de Gaia-gegevens stelde wetenschappers in staat om de massa van het zwarte gat met ongeëvenaarde nauwkeurigheid vast te stellen en het meest directe bewijs te leveren dat zwarte gaten in dit massabereik bestaan.

Astronomen staan voor de prangende vraag om de oorsprong van zwarte gaten zo groot als Gaia BH3 TE verklaren. Ons huidige begrip van hoe massieve sterren evolueren en sterven, verklaart niet meteen hoe dit soort zwarte gaten zijn ontstaan.

De meeste theorieën voorspellen dat, naarmate deze ouder worden, massieve sterren een aanzienlijk deel van hun materiaal verliezen door krachtige winden; uiteindelijk worden deze gedeeltelijk de ruimte in geblazen wanneer deze exploderen als supernova's. Wat overblijft van hun kern trekt verder samen om een neutronenster of een zwart gat te worden, afhankelijk van de massa. Kernen die groot genoeg zijn om te eindigen als zwarte gaten van 30 keer de massa van onze zon zijn erg moeilijk uit te leggen.

Toch kan een aanwijzing voor deze puzzel heel dicht bij Gaia BH3 liggen.

Een intrigerende metgezel

De ster die rond Gaia BH3 draait op ongeveer 16 keer de afstand zon-aarde is vrij ongewoon: een oude reuzenster, die ontstond in de eerste twee miljard jaar na de oerknal, toen ons sterrenstelsel begon samen te komen. Het behoort tot de familie van de Galactische stellaire halo en beweegt in de tegenovergestelde richting van de sterren van de Galactische schijf. De baan geeft aan dat deze ster waarschijnlijk deel uitmaakte van een klein sterrenstelsel, of een bolvormige cluster, meer dan acht miljard jaar geleden door ons eigen sterrenstelsel verzwolgen.

De begeleidende ster heeft zeer weinig elementen zwaarder dan waterstof en helium, wat aangeeft dat de massieve ster die Gaia BH3 werd ook zeer arm aan zware elementen zou kunnen zijn geweest. Dit is opmerkelijk. Het ondersteunt voor het eerst de theorie dat de hoge massa zwarte gaten waargenomen door zwaartekrachtgolfexperimenten werden geproduceerd door de ineenstorting van oerzware sterren arm aan zware elementen. Deze vroege sterren zijn mogelijk anders geëvolueerd dan de massieve sterren die we momenteel in ons sterrenstelsel zien.

De samenstelling van de begeleidende ster kan ook licht werpen op het vormingsmechanisme van dit verbazingwekkende dubbelstersysteem. "Wat me opvalt, is dat de chemische samenstelling van de metgezel vergelijkbaar is met wat we vinden in oude metaalarme sterren in het sterrenstelsel," legt Elisabetta Caffau van CNRS, Observatoire de Paris, ook lid van de Gaia-samenwerking, uit.

“Er is geen bewijs dat deze ster besmet was met het materiaal dat werd uitgestoten door de supernova-explosie van de massieve ster die BH3 werd.” Dit zou kunnen suggereren dat het zwarte gat de metgezel pas na de geboorte heeft verworven en het uit een ander systeem heeft gevangen.

Smakelijke aperitiefhapjes

De ontdekking van de Gaia BH3 is nog maar het begin en er moet nog veel onderzocht worden over de verbijsterende aard ervan. Nu de nieuwsgierigheid van de wetenschappers is gewekt, zullen dit zwarte gat en de metgezel ongetwijfeld het onderwerp zijn van veel diepgaande studies die nog moeten komen.

De Gaia Collaboration stuitte op deze “slapende reus” terwijl deze de voorlopige gegevens controleerde ter voorbereiding op de vierde uitgave van de Gaia-catalogus. Omdat de bevinding zo uitzonderlijk is, besloten het team het aan te kondigen voorafgaand aan de officiële release.

De volgende release van Gaia Data belooft een goudmijn te worden voor de studie van binaire systemen en de ontdekking van meer slapende zwarte gaten in ons sterrenstelsel. “We hebben extreem hard gewerkt om de manier waarop we specifieke datasets verwerken te verbeteren in vergelijking met de vorige dataset (DR3), dus we verwachten nog veel meer zwarte gaten in DR4 te ontdekken”, concludeert Berry Holl van de Universiteit van Geneve, in Zwitserland, lid van de Gaia Collaboration.