Aanwijzingen gevonden dat zwarte gaten de bron zijn van donkere energie

Een onderzoek door een internationaal team van sterrenkundigen aan oude en ‘slapende’ sterrenstelsels heeft aanwijzingen opgeleverd dat het de superzware zwarte gaten in de centra van die sterrenstelsels zijn die de bron zijn van donkere energie, de mysterieuze energie die zorgt voor de versnelde uitdijing van het heelal en die zo’n 70% van alle massa/energie in het heelal vormt. Ze schreven er twee vakartikelen over, die werden gepubliceerd in The Astrophysical Journal en The Astrophysical Journal Letters (zie achteraan de blog voor de links). Superzware zwarte gaten als bronnen van donkere energie? Dat is aan de ene kant een geruststellend idee, want we weten dat ze bestaan, ze zijn zelfs tot twee keer toe direct gefotografeerd met de EHT, M87* (6,5 miljard keer de massa van de zon) en Sgr A* (4,4 miljoen keer de massa van de zon). Maar aan de andere kant ook vreemd: zwarte gaten hebben toch een enorme zwaartekracht, dus hoe kan die nu zorgen voor donkere energie, dat met z’n uitdijende kracht precies de andere kant uit werkt? De crux van dit alles zit ‘m in het vacuüm en dan in de energie van dat vacuüm, de vacuümenergie. Toen de versnelde uitdijing van het heelal in 1998 door twee onafhankelijke teams werd ontdekt met behulp van type Ia supernovae was direct de suggestie dat donkere energie de oorzaak van die versnelling was, een energie die verband zou houden met het vacuüm van de ruimte. Die vacuümenergie zou overal hetzelfde zijn en constant in tijd. Groeit het heelal dan krijg je meer ruimte en daarmee zou donkere energie in het vroege heelal niets voorstellen, maar naarmate het heelal groeide en er meer ruimte kwam zou de donkere energie toenemen. Maar wat heeft die vacuümenergie met zwarte gaten te maken? Nou dan komen we op het recente onderzoek: het resultaat daarvan laat zien dat zwarte gaten aan massa winnen en dat ze daarmee steeds meer vacuümenergie bevatten, dat een bron van donkere energie vormt en dat daarmee de noodzaak voor een singulariteit om zich in hun centrum te vormen wegneemt. Singulariteiten zijn de hypothetische kernen van zwarte gaten, de plek waar alle materie zich in een oneindige dichtheid in een oneindig klein punt bevindt, een theoretische gruwel voor veel sterrenkundigen.

Het team heeft de aanwijzingen gevonden door te kijken naar de evolutie van sterrenstelsels gedurende een periode van negen miljard jaar in het heelal, het grootste deel van de 13,8 miljard jaar dat het heelal bestaat. Zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels kunnen op twee manieren groeien door ‘accretie van materie’: door gas- en stofwolken en sterren te verorberen die zich in hun buurt bevinden én door te botsen met andere zwarte gaten. De vraag van Duncan Farrah en zijn collega’s was: volstaan die twee bronnen van materie om de groei van de zwarte gaten tot superzware zwarte gaten in de loop van die negen miljard jaar te verklaren? Het team richtte zich bij het onderzoek op grote elliptische sterrenstelsels, stelsels die zich al vroeg in het heelal vormden en die slapend (Engels: dormant) werden toen hun gas op was en de stervorming stopte, daarmee de weg afsluitend voor de superzware zwarte gaten in hun kernen om te groeien met de accretie van gas en sterren. Vervolgens maakte men de vergelijking tussen elliptische sterrenstelsels negen miljard jaar geleden (toen ze nog jong en actief waren) en elliptische sterrenstelsels nu (‘oud en dood’) en wat bleek: het verschil in grootte van de zwarte gaten in de sterrenstelsels is veel groter dan wat de theoretische aanwas door accretie of botsingen voorspelt. De zwarte gaten van nu zijn maar liefst 7 tot 20 keer groter dan de zwarte gaten negen miljard jaar geleden.

De zwarte gaten groeiden met een mate die niet gelijke tred hield met de aanwas door accretie en botsingen met andere zwarte gaten, maar die wel gelijke tred hield met de groei van de donkere energie van het vacuüm. Sterker nog: er blijkt een verband te zijn tussen de groei van het heelal en de groei van de zwarte gaten. De waarnemingen hebben aanwijzingen opgeleverd dat zwarte gaten vacuümenergie bevatten en dat ze ‘gekoppeld’ zijn aan de uitdijing van het heelal. Ze spreken van een zogeheten ‘komologische koppeling’, waarbij de zwarte gaten groeien als ook het heelal groeit. In de grafiek hierboven zie je de uitkomsten van de metingen, waarbij ‘k’ de kosmologische koppelingssterkte is, die ze gemeten hebben en die ze vergelijken met de zwarte gaten vroeger en nu. De metingen bij k=3 wijzen er op dat de zwarte gaten geen singulariteit bevatten, maar wel vacuümenergie.

• Vakartikelen:
  Duncan Farrah et al, A Preferential Growth Channel for Supermassive Black Holes in Elliptical Galaxies at z ≲ 2, The Astrophysical Journal (2023).
• Duncan Farrah et al, Observational Evidence for Cosmological Coupling of Black Holes and its Implications for an Astrophysical Source of Dark Energy, The Astrophysical Journal Letters (2023).

Bron: RAL Space.