Super-Massive Black Holes (SMBH) zijn moeilijk uit te leggen. Men denkt dat deze gigantische singulariteiten zich in het centrum van elk groot sterrenstelsel bevinden (onze Melkweg heeft er een), maar hun aanwezigheid daar tart soms een gemakkelijke verklaring. Voor zover we weten vormen zich zwarte gaten wanneer gigantische sterren instorten. Maar die verklaring past niet bij al het bewijs.
De theorie van stellaire ineenstorting kan de meeste zwarte gaten goed verklaren. In die theorie begint een ster die minstens vijf keer zo zwaar is als onze zon tegen het einde van zijn levensduur zonder brandstof te raken. Aangezien de buitenwaartse druk van de kernfusie van een ster hem tegen de inwaartse zwaartekracht van zijn eigen massa ondersteunt, moet er iets worden gegeven als de brandstof opraakt.
De ster ondergaat een hypernova-explosie en stort dan in op zichzelf. Wat overblijft is een zwart gat. Astrofysici denken dat SMBH's op deze manier beginnen en uitgroeien tot hun enorme omvang door in wezen te 'voeden' met andere materie. Ze zwellen in omvang en zitten in het midden van hun zwaartekracht, als een spin die in het midden van zijn web vetmest.
Het probleem met die uitleg is dat het lang duurt voordat het gebeurt.
In het heelal hebben wetenschappers SMBH's waargenomen die oud zijn. In maart van dit jaar kondigde een groep astronomen de ontdekking aan van 83 SMBH's die zo oud zijn dat ze ons begrip tarten. In 2017 ontdekten astronomen een zwart gat van 800 miljoen zonsmassa dat pas 690 miljoen jaar na de oerknal volledig was gevormd. Ze ontstonden in de vroege dagen van het heelal, voordat er tijd was om uit te groeien tot hun super-massieve vormen.
Veel van deze SMBH's zijn miljarden keren zwaarder dan de zon. Ze hebben zulke hoge roodverschuivingen dat ze in de eerste 800 miljoen jaar na de oerknal moeten zijn gevormd. Maar dat is niet genoeg tijd voor het stellaire-instortingsmodel om ze uit te leggen. De vraag voor astrofysici is: hoe zijn die zwarte gaten in zo korte tijd zo groot geworden?
Een paar onderzoekers van de Western University in Ontario, Canada, denken dat ze erachter zijn gekomen. Ze hebben een nieuwe theorie genaamd 'directe ineenstorting' die deze ongelooflijk oude SMBH's verklaart.
Hun paper is getiteld "The Mass Function of Supermassive Black Holes in the Direct-collapse Scenario" en wordt gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters. De auteurs zijn Shantanu Basu en Arpan Das. Basu is een erkend expert in de vroege stadia van stervorming en protoplanetaire schijfevolutie. Hij is ook professor astronomie aan de Western University. Das komt ook van Western's Department of Physics and Astronomy.
Hun theorie over directe ineenstorting zegt dat de oude super-massieve zwarte gaten in zeer korte tijd extreem snel zijn gevormd. Toen stopten ze plotseling met groeien. Ze ontwikkelden een nieuw wiskundig model om deze snel vormende, oude zwarte gaten te verklaren. Ze zeggen dat de Eddington-limiet, die een balans is tussen de uitgaande stralingskracht van een ster en de inwaartse zwaartekracht, een rol speelt.
In deze zwarte gaten met directe ineenstorting reguleert de Eddington-limiet de massagroei, en de onderzoekers zeggen dat deze oude zwarte gaten die limiet zelfs met een kleine hoeveelheid kunnen overschrijden, in wat ze super-Eddington-aanwas noemen. Door straling van andere sterren en zwarte gaten stopte hun productie vervolgens.
"Superzware zwarte gaten hadden maar een korte periode waarin ze snel konden groeien en op een gegeven moment kwam hun productie, vanwege alle straling in het universum die door andere zwarte gaten en sterren werd gecreëerd, tot stilstand", legt Basu uit in een persbericht. "Dat is het scenario van directe ineenstorting."
"Dit is een indirect waarnemingsbewijs dat zwarte gaten afkomstig zijn van directe instortingen en niet van sterrenresten", zei Basu.
Deze nieuwe theorie geeft een effectieve verklaring voor wat al geruime tijd een doorn in het oog is van de astronomie. Basu is van mening dat deze nieuwe resultaten kunnen worden gebruikt met toekomstige waarnemingen om de vormingsgeschiedenis af te leiden van de extreem massieve zwarte gaten die in zeer vroege tijden in ons universum bestaan.
Bronnen:
- Persbericht: Onderzoekers schijnen licht op de oorsprong van zwarte gaten
- Research Paper: The Mass Function of Supermassive Black Holes in the Direct-collapse Scenario
- Space Magazine: te groot, te snel. Monster Black Hole gezien kort na de oerknal
- Princeton University: Astronomen ontdekken 83 superzware zwarte gaten in het vroege heelal
- Wikipedia: Eddington Luminosity (limiet)
