Wetenschap
Hoe de Romeinse missie van NASA op jacht gaat naar oorspronkelijke zwarte gaten
Astronomen hebben zwarte gaten ontdekt die variëren van enkele malen de massa van de zon tot tientallen miljarden. Nu heeft een groep wetenschappers voorspeld dat NASA's Nancy Grace Roman Space Telescope een klasse van 'vederlichte' zwarte gaten zou kunnen vinden die tot nu toe aan detectie zijn ontsnapt.
Tegenwoordig ontstaan zwarte gaten wanneer een massieve ster instort of wanneer zware objecten samensmelten. Wetenschappers vermoeden echter dat kleinere ‘oorspronkelijke’ zwarte gaten, waaronder enkele met een massa die vergelijkbaar is met die van de aarde, zich zouden kunnen hebben gevormd tijdens de eerste chaotische momenten van het vroege heelal.
"Het detecteren van een populatie van oorspronkelijke zwarte gaten met de massa van de aarde zou een ongelooflijke stap zijn voor zowel de astronomie als de deeltjesfysica, omdat deze objecten door geen enkel bekend fysiek proces kunnen worden gevormd", zegt William DeRocco, een postdoctoraal onderzoeker aan de University of California Santa. Cruz die een onderzoek leidde naar hoe Roman ze kon onthullen.
Een artikel waarin de resultaten worden beschreven, is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review D . "Als we ze vinden, zal dit het vakgebied van de theoretische natuurkunde opschudden."
Oorspronkelijk recept voor zwarte gaten
De kleinste zwarte gaten die tegenwoordig ontstaan, ontstaan wanneer een massieve ster geen brandstof meer heeft. De uitwendige druk neemt af naarmate de kernfusie afneemt, zodat de innerlijke zwaartekracht het touwtrekken wint. De ster trekt samen en kan zo dicht worden dat hij een zwart gat wordt.
Maar er is een minimale massa vereist:minstens acht keer die van onze zon. Lichtere sterren zullen witte dwergen of neutronensterren worden.
De omstandigheden in het zeer vroege heelal hebben er echter mogelijk voor gezorgd dat er veel lichtere zwarte gaten zijn ontstaan. Eén die de massa van de aarde weegt, zou een waarnemingshorizon hebben –– het punt waarop geen terugkeer meer mogelijk is voor vallende objecten –– die ongeveer zo breed is als een Amerikaans dubbeltje.
Net toen het universum werd geboren, denken wetenschappers dat het een korte maar intense fase doormaakte die bekend staat als inflatie, toen de ruimte zich sneller uitbreidde dan de snelheid van het licht. Onder deze bijzondere omstandigheden zijn gebieden met een grotere dichtheid dan hun omgeving mogelijk ingestort en zijn er primordiale zwarte gaten met een lage massa ontstaan.
Hoewel de theorie voorspelt dat de kleinste deeltjes zouden moeten verdampen voordat het universum zijn huidige leeftijd heeft bereikt, hadden degenen met een massa vergelijkbaar met die van de aarde het kunnen overleven.
Het ontdekken van deze kleine objecten zou een enorme impact hebben op de natuurkunde en astronomie.
‘Het zou van invloed zijn op alles, van de vorming van sterrenstelsels tot de hoeveelheid donkere materie in het universum en de kosmische geschiedenis’, zegt Kailash Sahu, astronoom aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Het bevestigen van hun identiteit zal hard werken zijn en astronomen zullen veel overtuigingskracht nodig hebben, maar het zou de moeite waard zijn."
Hints van verborgen homesteaders
Waarnemingen hebben al aanwijzingen opgeleverd dat dergelijke objecten zich mogelijk in onze Melkweg op de loer bevinden. Primordiale zwarte gaten zouden onzichtbaar zijn, maar rimpels in de ruimte-tijd hebben geholpen een aantal mogelijke verdachten op te sporen.
Microlensing is een observatie-effect dat optreedt doordat de aanwezigheid van massa het weefsel van ruimte-tijd vervormt, zoals de afdruk die een bowlingbal maakt als hij op een trampoline wordt geplaatst. Elke keer dat een tussenliggend object vanuit ons gezichtspunt in de buurt van een achtergrondster lijkt te drijven, moet het licht van de ster de kromgetrokken ruimte-tijd rond het object doorkruisen. Als de uitlijning bijzonder dichtbij is, kan het object fungeren als een natuurlijke lens, waarbij het licht van de achtergrondster wordt scherpgesteld en versterkt.
Afzonderlijke groepen astronomen die gegevens gebruiken van MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) –– een samenwerkingsverband dat microlensing-waarnemingen uitvoert met behulp van het Mount John University Observatory in Nieuw-Zeeland –– en OGLE (het Optical Gravitational Lensing Experiment) hebben een onverwacht grote populatie geïsoleerde Objecten met aardemassa.
Planeetvormings- en evolutietheorieën voorspellen bepaalde massa's en overvloed aan schurkenplaneten – werelden die door de Melkweg zwerven, los van een ster. De MOA- en OGLE-waarnemingen suggereren dat er meer objecten met een aardmassa door de Melkweg zweven dan modellen voorspellen.
"Er is geen manier om van geval tot geval een onderscheid te maken tussen zwarte gaten met een massa van de aarde en schurkenplaneten", zei DeRocco. Maar wetenschappers verwachten dat Roman tien keer zoveel objecten in dit massabereik zal vinden dan telescopen op de grond. "Roman zal buitengewoon krachtig zijn in het statistisch onderscheid maken tussen de twee."
DeRocco leidde een poging om te bepalen hoeveel schurkenplaneten zich in dat massabereik zouden moeten bevinden, en hoeveel oorspronkelijke zwarte gaten Roman daartussen kon onderscheiden.
Het vinden van oorspronkelijke zwarte gaten zou nieuwe informatie onthullen over het zeer vroege heelal, en zou er sterk op wijzen dat er inderdaad een vroege periode van inflatie heeft plaatsgevonden. Het zou ook een klein percentage kunnen verklaren van de mysterieuze donkere materie die volgens wetenschappers het grootste deel van de massa van ons universum uitmaakt, maar die ze tot nu toe niet hebben kunnen identificeren.
"Dit is een opwindend voorbeeld van iets extra's die wetenschappers zouden kunnen doen met de gegevens die Roman al krijgt tijdens zijn zoektocht naar planeten", zei Sahu. "En de resultaten zijn interessant, ongeacht of wetenschappers wel of niet bewijs vinden dat er zwarte gaten met de massa van de aarde bestaan. Het zou ons begrip van het universum in beide gevallen versterken."