In de uitgestrekte tuin van het universum, de zwaarste zwarte gaten groeiden uit zaden. Gevoed door het gas en het stof dat ze verbruikten, of door te versmelten met andere dichte objecten, deze zaden groeiden in grootte en gewicht om de centra van sterrenstelsels te vormen, zoals onze eigen Melkweg. Maar anders dan op het gebied van planten, de zaden van gigantische zwarte gaten moeten zwarte gaten zijn geweest, te. En niemand heeft deze zaden ooit gevonden - tot nu toe.

Eén idee is dat superzware zwarte gaten - het equivalent van honderdduizenden tot miljarden zonnen in massa - zijn gegroeid uit een populatie van kleinere zwarte gaten die nog nooit is gezien. Deze ongrijpbare groep, de "middelgrote zwarte gaten, " zou ergens tussen de 100 en 100 wegen, 000 Zonnen. Onder de honderden zwarte gaten die tot nu toe zijn gevonden, er zijn veel relatief kleine geweest, maar geen enkele zeker in het tussenliggende massabereik "woestijn".

Wetenschappers werken met krachtige ruimtetelescopen van NASA, evenals andere observatoria, om verre objecten op te sporen die passen bij de beschrijving van deze exotische entiteiten. Ze hebben tientallen mogelijke kandidaten gevonden en werken eraan om ze te bevestigen als zwarte gaten. Maar zelfs als ze dat doen, dat opent een heel nieuw mysterie:hoe zijn zwarte gaten met een gemiddelde massa ontstaan?

"Wat is fascinerend, en waarom mensen zoveel tijd hebben besteed aan het vinden van deze middelzware zwarte gaten, is omdat het licht werpt op processen die plaatsvonden in het vroege universum - wat waren de massa's van relikwie zwarte gaten, of nieuwe vormingsmechanismen voor zwarte gaten waar we nog niet aan gedacht hebben, " zei Fiona Harrison, hoogleraar natuurkunde aan Caltech in Pasadena, Californië, en hoofdonderzoeker voor NASA's NuSTAR-missie, die wordt beheerd door het Jet Propulsion Laboratory.

Zwart Gat 101

Een zwart gat is een extreem dicht object in de ruimte waaruit geen licht kan ontsnappen. Als materiaal in een zwart gat valt, het heeft geen uitweg. En hoe meer een zwart gat eet, hoe meer het groeit in zowel massa als grootte.

De kleinste zwarte gaten worden "stellaire massa, " met tussen 1 en 100 keer de massa van de zon. Ze vormen wanneer sterren exploderen in gewelddadige processen die supernova's worden genoemd.

Superzware zwarte gaten, anderzijds, zijn de centrale ankers van grote sterrenstelsels, bijvoorbeeld onze zon en alle andere sterren in de Melkweg draaien rond een zwart gat genaamd Sagittarius A* dat ongeveer 4,1 miljoen zonsmassa's weegt. Een nog zwaarder zwart gat - met maar liefst 6,5 miljard zonsmassa's - dient als middelpunt voor het sterrenstelsel Messier 87 (M 87). Het superzware zwarte gat van M87 verschijnt in de beroemde afbeelding van de Event Horizon Telescope, voor het eerst een zwart gat en zijn "schaduw" laat zien. Deze schaduw wordt veroorzaakt door de waarnemingshorizon, het punt van geen terugkeer van het zwarte gat, buigen en vangen van licht met zijn sterke zwaartekracht.

Superzware zwarte gaten hebben de neiging om schijven van materiaal om zich heen te hebben, genaamd "accretieschijven, " gemaakt van extreem heet, hoogenergetische deeltjes die helder schijnen naarmate ze dichter bij de waarnemingshorizon komen - het gebied van geen terugkeer van het zwarte gat. Degenen die hun schijven helder laten schijnen omdat ze veel eten, worden 'actieve galactische kernen' genoemd.

De dichtheid van materie die nodig is om een ​​zwart gat te creëren is verbijsterend. Om een ​​zwart gat 50 keer de massa van de zon te maken, je zou het equivalent van 50 zonnen in een bal moeten stoppen met een diameter van minder dan 200 mijl (300 kilometer). Maar in het geval van het middelpunt van M87, het is alsof 6,5 miljard zonnen zijn samengeperst tot een bal die breder is dan de baan van Pluto. In beide gevallen, de dichtheid is zo hoog dat het oorspronkelijke materiaal moet instorten tot een singulariteit - een scheur in het weefsel van ruimte-tijd.

De sleutel tot het mysterie van de oorsprong van zwarte gaten is de fysieke limiet van hoe snel ze kunnen groeien. Zelfs de gigantische monsters in de centra van sterrenstelsels hebben beperkingen op hun voedingswaanzin, omdat een bepaalde hoeveelheid materiaal wordt teruggeduwd door de hoogenergetische straling afkomstig van hete deeltjes die nabij de waarnemingshorizon worden versneld. Gewoon door omringend materiaal te eten, een zwart gat met een lage massa kan zijn massa slechts in 30 miljoen jaar verdubbelen, bijvoorbeeld.

"Als je uitgaat van een massa van 50 zonsmassa's, je kunt het gewoon niet laten groeien tot 1 miljard zonsmassa's in 1 miljard jaar, " zei Igor Chilingarian, een astrofysicus bij het Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, en de Staatsuniversiteit van Moskou. Maar "zoals we weten, er zijn superzware zwarte gaten die minder dan 1 miljard jaar na de vorming van het heelal bestaan."

Hoe maak je een zwart gat dat je niet kunt zien?

Vroeg in de geschiedenis van het universum, het zaad van een middelzwaar zwart gat kan gevormd zijn door de ineenstorting van een groot, dichte gaswolk of van een supernova-explosie. De allereerste sterren die in ons heelal explodeerden, hadden zuivere waterstof en helium in hun buitenste lagen, met zwaardere elementen geconcentreerd in de kern. Dit is een recept voor een veel massiever zwart gat dan exploderende moderne sterren. die "vervuild" zijn met zware elementen in hun buitenste lagen en daardoor meer massa verliezen door hun sterrenwinden.

"Als we vroeg in het heelal zwarte gaten met 100 zonsmassa's vormen, sommigen van hen moeten samensmelten, maar dan zou je eigenlijk een hele reeks massa's moeten produceren, en dan zouden sommigen van hen nog steeds in de buurt moeten zijn, " zei Tod Strohmayer, astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Dus dan, waar zijn ze als ze gevormd zijn?"

Een aanwijzing dat er nog steeds zwarte gaten met gemiddelde massa zouden kunnen zijn, kwam van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) van de National Science Foundation, een samenwerking tussen Caltech en het Massachusetts Institute of Technology. LIGO-detectoren, gecombineerd met een Europese vestiging in Italië genaamd Virgo, doen veel verschillende samensmeltingen van zwarte gaten ontstaan ​​door rimpelingen in de ruimtetijd die zwaartekrachtgolven worden genoemd.

in 2016, LIGO kondigde een van de belangrijkste wetenschappelijke ontdekkingen van de afgelopen halve eeuw aan:de eerste zwaartekrachtsgolfdetectie. specifiek, de detectoren in Livingston, Louisiana, en Hanford, Washington, het signaal van twee samensmeltende zwarte gaten opgepikt. De massa's van deze zwarte gaten - 29 en 36 keer de massa van de zon, respectievelijk - verbaasde wetenschappers. Hoewel deze technisch nog steeds geen middelmatige massa zijn, ze zijn groot genoeg om wenkbrauwen op te trekken.

Het is mogelijk dat alle zwarte gaten van gemiddelde massa al zijn samengesmolten, maar ook dat de technologie niet goed is afgesteld om ze te lokaliseren.

Dus waar zijn ze?

Het zoeken naar zwarte gaten in de middelzware woestijn is lastig omdat zwarte gaten zelf geen licht uitstralen. Echter, wetenschappers kunnen specifieke veelbetekenende tekens zoeken met behulp van geavanceerde telescopen en andere instrumenten. Bijvoorbeeld, omdat de stroom van materie op een zwart gat niet constant is, de klonterigheid van verbruikt materiaal veroorzaakt bepaalde variaties in de lichtopbrengst in de omgeving. Dergelijke veranderingen zijn in kleinere zwarte gaten sneller te zien dan in grotere.

"Op een tijdschaal van uren, je de observatiecampagne kunt doen die voor klassieke actieve galactische kernen maanden duurt, ' zei Chilingarian.

De meest veelbelovende kandidaat voor zwarte gaten met een gemiddelde massa wordt HLX-1 genoemd, met een massa van ongeveer 20, 000 keer die van de zon. HLX-1 staat voor "Hyper-Luminous X-ray Source 1, " en zijn energie-output is veel hoger dan die van de zon-achtige sterren. Het werd in 2009 ontdekt door de Australische astronoom Sean Farrell, met behulp van de XMM-Newton röntgenruimtetelescoop van de European Space Agency. Een studie uit 2012 met behulp van de Hubble- en Swift-ruimtetelescopen van NASA vond suggesties van een cluster van jonge blauwe sterren die rond dit object cirkelen. Mogelijk was het ooit het centrum van een dwergstelsel dat werd opgeslokt door het grotere sterrenstelsel ESO 243-49. Veel wetenschappers beschouwen HLX-1 als een bewezen middelzwaar zwart gat, zei Harrison.

"De kleuren van het röntgenlicht dat het uitstraalt, en precies zoals het zich gedraagt, lijkt erg op een zwart gat, ' zei Harrison. 'Veel mensen, inclusief mijn groep, programma's hebben om dingen te vinden die op HLX-1 lijken, maar tot nu toe is geen ervan consistent. Maar de jacht gaat door."

Minder heldere objecten die zwarte gaten met gemiddelde massa zouden kunnen zijn, worden ultralichtgevende röntgenbronnen genoemd. of ULX's. Een flikkerende ULX genaamd NGC 5408 X-1 was vooral intrigerend voor wetenschappers die op zoek waren naar zwarte gaten met gemiddelde massa. Maar de röntgenobservatoria NuSTAR en Chandra van NASA verbaasden wetenschappers door te onthullen dat veel ULX-objecten geen zwarte gaten zijn. In plaats daarvan, het zijn pulsars - extreem dichte stellaire overblijfselen die lijken te pulseren als vuurtorens.

M82 X-1, de helderste röntgenbron in de melkweg M82, is een ander zeer helder object dat lijkt te flikkeren op tijdschalen die overeenkomen met een zwart gat van gemiddelde massa. Deze veranderingen in helderheid houden verband met de massa van het zwarte gat en worden veroorzaakt door materiaal in een baan nabij het binnenste gebied van de accretieschijf. Een studie uit 2014 keek naar specifieke variaties in röntgenlicht en schatte dat M82 X-1 een massa heeft van ongeveer 400 zonnen. Wetenschappers gebruikten archiefgegevens van NASA's Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) -satelliet om deze variaties in röntgenhelderheid te bestuderen.

Meest recent, wetenschappers onderzochten een grotere groep mogelijke zwarte gaten met een gemiddelde massa. in 2018, Chilingarian en collega's beschreven een steekproef van 10 kandidaten door optische gegevens van de Sloan Digital Sky Survey opnieuw te analyseren en de eerste vooruitzichten te matchen met röntgengegevens van Chandra en XMM-Newton. Ze volgen nu telescopen op de grond in Chili en Arizona. Mar Mezcua van het Spaanse Instituut voor Ruimtewetenschappen leidde een afzonderlijk onderzoek uit 2018, ook met behulp van Chandra-gegevens, het vinden van 40 groeiende zwarte gaten in dwergstelsels die zich in dat speciale bereik van gemiddelde massa zouden kunnen bevinden. Maar Mezcua en medewerkers beweren dat deze zwarte gaten oorspronkelijk zijn gevormd door het instorten van gigantische wolken in plaats van door stellaire explosies.

Wat is het volgende

Dwergstelsels zijn interessante plaatsen om verder te zoeken, omdat:in theorie, kleinere sterrenstelsels kunnen zwarte gaten bevatten met een veel lagere massa dan die in de centra van grotere sterrenstelsels zoals het onze.

Om dezelfde reden zoeken wetenschappers ook naar bolvormige sterrenhopen - sferische concentraties van sterren aan de rand van de Melkweg en andere sterrenstelsels.

"Het kan zijn dat er zulke zwarte gaten zijn, in zulke sterrenstelsels, maar als ze niet veel materie verzamelen, het is misschien moeilijk om ze te zien, ' zei Strohmayer.

Jagers met middelzware zwarte gaten wachten reikhalzend uit naar de lancering van NASA's James Webb Space Telescope, die terugkijkt naar de dageraad van de eerste sterrenstelsels. Webb zal astronomen helpen erachter te komen wat er het eerst was - de melkweg of het centrale zwarte gat - en hoe dat zwarte gat in elkaar zou kunnen zitten. In combinatie met röntgenwaarnemingen, De infraroodgegevens van Webb zullen belangrijk zijn voor het identificeren van enkele van de oudste kandidaten voor zwarte gaten.

Een andere nieuwe tool die in juli door het Russische ruimteagentschap Roscosmos werd gelanceerd, heet Spectrum X-Gamma, een ruimtevaartuig dat de lucht zal scannen met röntgenstralen, en draagt ​​een instrument met spiegels, ontwikkeld en gebouwd met NASA Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. Gravitatiegolfinformatie die voortkomt uit de LIGO-Virgo-samenwerking zal ook helpen bij het zoeken, net als de geplande Laser Interferometer Space Antenna (LISA) -missie van de European Space Agency.

Deze vloot van nieuwe instrumenten en technologieën, naast de huidige, zal astronomen helpen terwijl ze de kosmische tuin blijven afspeuren naar zaden van zwarte gaten, en sterrenstelsels zoals de onze.