13 december 2018

Kosmologen vinden nieuwe manier om oer-zwarte gaten te vormen

Wat is donkere materie? Hoe ontstaan superzware zwarte gaten? ‘Oer’-zwarte gaten – ook wel primordiale zwarte gaten genoemd – bevatten wellicht het antwoord op deze langlopende vragen. Leidse en Chinese kosmologen hebben nu een nieuwe manier gevonden waarop deze hypothetische hemellichamen kunnen ontstaan vlak na de oerknal. Publicatie in Physical Review Letters.

In hun missie om het heelal te doorgronden staan wetenschappers voor een paar grote onopgeloste vraagstukken. Sterren vliegen bijvoorbeeld rond in sterrenstelsels alsof er vijfmaal meer massa aanwezig is dan we kunnen zien. Waaruit bestaat die spookachtige, donkere materie? En nog een raadsel: sterrenstelsels herbergen enorme zwarte gaten in hun kernen, die miljoenen zonsmassa’s wegen. In jonge sterrenstelsels hebben ineengestorte sterren niet genoeg tijd gehad om uit te groeien tot zo’n gigantisch gevaarte. Hoe zijn deze zogenoemde superzware zwarte gaten dan ontstaan?

Oer-zwarte gaten

Kosmologen hebben een hypothetische oplossing die een van beide vragen kan beantwoorden. Oer-zwarte gaten, geboren vlak na de oerknal, hebben de mogelijkheid om ofwel klein te blijven ofwel snel massa te vergaren. In het eerste geval zijn het kandidaten voor donkere materie. In het tweede geval kunnen ze dienen als kiem voor superzware zwarte gaten. Leids kosmoloog Dong-Gang Wang en zijn Chinese collega’s Yi-Fu Cai, Xi Tong en Sheng-Feng Yan van USTC University hebben nu een nieuwe manier gevonden waarop oer-zwarte gaten konden ontstaan rond de oerknal.

Figuur 1: Deze grafiek toont de fractie van donkere materie die voor rekening komt van oer-zwarte gaten (verticale as), als functie van hun individuele massa in zonsmassa’s (horizontale as). De ingekleurde gebieden zijn uitgesloten door sterrenkundige observaties. Het resonantie-effect manifesteert zich als smalle pieken (rode en blauwe stippellijnen) die de massaverdeling aangeven van oer-zwarte gaten. Omdat alle pieken smal zijn, is de voorspelling dat alle oer-zwarte gaten dezelfde massa hebben. Voor ons heelal is er slechts één echte piek, afhankelijk van de (nog onbekende) details van de oerknal. De blauwe piek correspondeert bijvoorbeeld met zwarte gaten van ongeveer 10-100 zonsmassa’s—de orde van grootte die recentelijk is gedetecteerd door het LIGO/VIRGO zwaartekrachtsgolvenexperiment.

Resonantie

Na de oerknal bevatte het heelal kleine dichtheidsverstoringen, veroorzaakt door willekeurige quantumfluctuaties. Die zijn groot genoeg om uiteindelijk sterren en sterrenstelsels te vormen, maar te klein om zelfstandig uit te groeien tot oer-zwarte gaten. Wang en zijn collega’s hebben een nieuw resonantie-effect geïdentificeerd dat oer-zwarte gaten mogelijk maakt door bepaalde verstoringen selectief te vergroten. Dit leidt tot de voorspelling dat alle oer-zwarte gaten ongeveer dezelfde massa moeten hebben. De smalle pieken in figuur 1 tonen een reeks aan mogelijke massa’s als gevolg van de resonantie.

Levensvatbaar model

‘Andere berekeningen hebben verschillende manieren om verstoringen uit te vergroten, maar die komen uiteindelijk in de problemen,’ zegt Wang. ‘Wij gebruiken resonantie tijdens de inflatieperiode, toen het heelal exponentieel toenam kort na de oerknal. Onze berekeningen zijn simpel genoeg zodat we ermee kunnen werken. In werkelijkheid is het mechanisme misschien gecompliceerder, maar dit is een begin. De smalle pieken die we krijgen zijn inherent aan het mechanisme, omdat het resonantie gebruikt.’ Bron: Universiteit van Leiden.

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.