Een nieuwe studie voorspelt het bestaan ​​van massa’s groter dan superzware zwarte gaten in het universum

Nabij het centrum van de Melkweg bevindt zich een enorm object dat astronomen Sagittarius A* noemen. Dit “superzware” zwarte gat is mogelijk samen met ons sterrenstelsel gegroeid, en het is niet de enige. Wetenschappers geloven dat een vergelijkbare reus in het hart van bijna alle grote sterrenstelsels in het universum ligt.

Sommigen van hen kunnen heel groot worden, zei Joseph Simon, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Astrofysica en Planetaire Wetenschappen van de Universiteit van Colorado in Boulder.

“Het zwarte gat in het centrum van ons sterrenstelsel is miljoenen keren zwaarder dan de zon, maar we zien ook andere waarvan we denken dat ze miljarden keren de massa van de zon hebben”, zei hij.

De astrofysicus heeft zijn carrière gewijd aan het bestuderen van het gedrag van deze moeilijk waarneembare objecten. In een recente studie gebruikte hij computersimulaties of ‘modellen’ om de massa’s van de grootste superzware zwarte gaten in het universum te voorspellen – een wiskundig concept dat bekend staat als de massafunctie van het zwarte gat.

Met andere woorden, Simon probeerde te bepalen wat je zou kunnen vinden als je elk van deze zwarte gaten achter elkaar op een gigantische schaal zou kunnen plaatsen.

Zijn berekeningen suggereren dat zwarte gaten miljarden jaren geleden gemiddeld veel groter waren dan wetenschappers eerder vermoedden. De bevindingen zouden onderzoekers kunnen helpen een groter mysterie op te lossen en de krachten op te helderen die objecten zoals Sagittarius A* hebben gevormd toen ze uitgroeiden van kleine zwarte gaten tot de reuzen die ze nu zijn.

“We beginnen uit verschillende bronnen te zien dat er al heel vroeg zeer massieve dingen in het universum waren”, zei Simon.

Hij publiceerde zijn bevindingen op 30 mei in Astrofysische dagboekbrieven.

Galactische symfonie

Voor Simon zijn deze “zeer omvangrijke dingen” zijn brood en boter.

De astrofysicus maakt deel uit van een tweede onderzoeksinspanning genaamd de North American Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav). Met het project hebben Simon en honderden andere wetenschappers in de Verenigde Staten en Canada 15 jaar lang onderzoek gedaan naar een fenomeen dat bekend staat als de ‘zwaartekrachtgolfachtergrond’. Het concept verwijst naar de constante stroom zwaartekrachtgolven, of gigantische rimpelingen in ruimte en tijd, die bijna constant door het universum rimpelen.

Dit kosmische momentum vindt ook zijn oorsprong in superzware zwarte gaten. Simon legde uit dat als twee sterrenstelsels in de ruimte met elkaar in botsing komen, de centrale zwarte gaten ook zouden kunnen botsen en zelfs samensmelten. Ze dwarrelen rond voordat ze tegen elkaar botsen als twee cimbalen in een orkest – alleen deze cimbaal genereert zwaartekrachtgolven, die letterlijk de structuur van het universum vervormen.

Om de achtergrond van zwaartekrachtgolven te begrijpen, moeten wetenschappers eerst weten hoe massief de superzware zwarte gaten in het universum werkelijk zijn. Grotere cimbalen creëren een grotere explosie en produceren veel meer zwaartekrachtgolven, zei Simon.

Er is maar één probleem.

“We hebben al goede metingen van de massa’s van de superzware zwarte gaten in ons sterrenstelsel en nabije sterrenstelsels”, zei hij. “We hebben niet dezelfde soorten metingen voor verre sterrenstelsels. We moeten gewoon raden.”

Zwarte gaten zijn in opmars

In zijn nieuwe onderzoek besloot Simon op een geheel nieuwe manier te raden.

Eerst verzamelde hij informatie over honderdduizenden sterrenstelsels, enkele miljarden jaren oud. (Licht kan alleen zo snel reizen, dus wanneer mensen verre sterrenstelsels observeren, kijken ze terug in de tijd.) Simon gebruikte deze informatie om de geschatte massa’s van zwarte gaten te berekenen voor de grootste sterrenstelsels in het universum. Vervolgens gebruikte hij computermodellen om de zwaartekrachtgolven op de achtergrond te simuleren die deze sterrenstelsels zouden creëren en die momenteel de aarde wassen.

De bevindingen van Simon onthullen het volledige bereik van superzware zwarte gatenmassa’s in het universum die bijna 4 miljard jaar oud zijn. Hij merkte ook iets vreemds op: miljarden jaren geleden leken er veel meer grote sterrenstelsels verspreid over het heelal te zijn dan sommige eerdere studies hadden voorspeld. Het sloeg nergens op.

“Er was een verwachting dat je deze echt massieve systemen alleen in het nabije universum zou zien,” zei Simon. “Het kost tijd voordat zwarte gaten groeien.”

Zijn onderzoek draagt ​​​​echter bij aan een groeiend aantal bewijzen dat suggereert dat ze misschien niet zoveel tijd nodig hebben als astrofysici ooit dachten. Het NANOGrav-team zag bijvoorbeeld soortgelijke signalen van gigantische zwarte gaten die miljarden jaren geleden op de loer lagen in het universum.

Voor nu hoopt Simon het volledige scala aan zwarte gaten te verkennen dat zich nog verder terug in de tijd uitstrekt, en aanwijzingen te onthullen over hoe de Melkweg, en uiteindelijk ons ​​zonnestelsel, is ontstaan.

“Het begrijpen van de massa’s zwarte gaten is van cruciaal belang voor sommige van deze fundamentele vragen, zoals de achtergrond van zwaartekrachtgolven, maar ook hoe sterrenstelsels groeien en hoe ons universum evolueerde,” zei Simon.