Grootste botsing tussen zwarte gaten ooit gedetecteerd stelt vormingstheorieën op de proef

Toen de stilte van de ruimtetijd werd verbroken

Op 23 november 2023 registreerden de meest gevoelige zwaartekrachtgolfinstrumenten op aarde een korte maar luide rimpeling in de ruimtetijd. Het signaal was zo ongebruikelijk dat onderzoekers het maandenlang bleven bestuderen — en toen de resultaten medio juli 2025 werden onthuld, wierpen ze de verwachtingen over hoe de zwaarste stellaire zwarte gaten worden geboren volledig overhoop.

Wat er werd gedetecteerd

Waarom dit een probleem is voor de standaardtheorie

Decennialang hebben stellaire evolutiemodellen een kloof in het massaspectrum van zwarte gaten voorspeld. Van zeer massieve sterren die normaal gesproken zwarte gaten tussen ongeveer 60 en 130 zonsmassa's zouden produceren, wordt verwacht dat ze in plaats daarvan een paar-instabiliteitsproces ondergaan waarbij ofwel een groot deel van de massa van de ster wordt uitgestoten, ofwel de ster volledig uit elkaar spat, zonder een compact restant achter te laten. Dat theoretische bereik wordt de „paar-instabiliteit-massakloof” genoemd.

Hoe kunnen zulke massieve, snel roterende zwarte gaten ontstaan?

• Hiërarchische fusies: In dichte omgevingen zoals bolvormige sterrenhopen of de drukke centra van jonge sterrenhopen kunnen zwarte gaten herhaaldelijk fuseren. Elke fusie produceert een zwaarder, vaak snel roterend restant dat later weer een nieuwe partner kan vinden. Door dat proces over generaties heen te herhalen, kunnen objecten in en boven de massakloof ontstaan.
• Voeden binnen een actieve galactische kern (AGN): Massieve zwarte gaten die in banen binnen de dichte, gasvormige schijf rond een supermassief zwart gat draaien, kunnen gas accreteren en migreren, waardoor hun massa toeneemt voordat ze fuseren. Die omgeving kan spins ook op complexe manieren uitlijnen of juist verstoren, wat de hoge spins verklaart die bij GW231123 zijn waargenomen.
• Exotische kanalen of herzieningen van de stellaire fysica: Sommige modellen stellen aanpassingen voor aan de manier waarop paar-instabiliteit werkt — mogelijk door verschillen in metalliciteit, rotatie of menging in de voorlopersterren — wat de directe vorming van zwaardere restanten mogelijk zou maken dan voorheen werd gedacht.

Elk scenario heeft sterke en zwakke punten. De zeer hoge spins die voor GW231123 zijn gemeten, pleiten voor een hiërarchische oorsprong waarbij eerdere fusies het impulsmoment hebben opgevoerd. Maar hiërarchische kanalen hebben ook de neiging om spinrichtingen over generaties heen te randomiseren, wat sporen kan achterlaten in de zwaartekrachtgolfvorm die moeilijker te bevestigen zijn gezien de kortstondigheid van dit signaal.

Waarom de gegevens lastig te interpreteren zijn

Omdat de twee fuserende zwarte gaten zo massief waren, legden de detectoren alleen de laatste momenten van hun inspiral en fusie vast — ongeveer een tiende van een seconde. Dat betekent minder zwaartekrachtgolfcycli en minder informatie om parameters zoals de massaverhouding, oriëntatie en spin-kantelhoeken vast te stellen. Verschillende golfvormmodellen die worden gebruikt om de eigenschappen van het systeem af te leiden, komen niet perfect overeen, wat systematische onzekerheden in de massa- en spinschattingen introduceert.

Die verschillen in modellering zijn van belang: als de ene golfvormfamilie de voorkeur geeft aan iets andere massa's of spins dan de andere, kan de astrofysische interpretatie — of de componenten zich werkelijk in de massakloof bevinden of deze juist flankeren — veranderen. Het samenwerkingsverband is daarom terughoudend geweest over de geclaimde precisie en werkt aan vervolgonderzoek met verbeterde golfvormen en onafhankelijke analyses.

Waar dit past in het grotere geheel

GW231123 volgt op eerdere zwaartekrachtgolfdetecties die al hintten op onverwachte zwaargewichten onder de zwarte gaten. Het eerste duidelijke middelzware zwarte gat gevormd uit een binair systeem, GW190521 in 2019-2020, daagde de modellen al uit. Heranalyses van gearchiveerde LIGO-gegevens hebben ook kandidaat-gebeurtenissen opgeleverd die middelzware restanten zouden produceren, wat suggereert dat we mogelijk een voorheen verborgen populatie waarnemen.

Bewijs voor meerdere zware fusies heeft verstrekkende gevolgen. Het beïnvloedt ons begrip van hoe de eerste generaties sterren leefden en stierven, de dynamica binnen dichte sterrenhopen en de rol van gasvormige galactische omgevingen. Het biedt ook een empirische route voor de vorming van middelzware zwarte gaten — een langgezochte brug tussen stellaire zwarte gaten en supermassieve zwarte gaten.

Wat er nu gebeurt

Onderzoekers zullen de parameterschattingen verfijnen met behulp van geavanceerdere golfvormmodellen, gerichte numeriek-relativistische simulaties en onafhankelijke codes voor parameterschatting. Machine-learningtechnieken en heranalyses van gearchiveerde data zullen ook nieuwe kandidaten voor zware fusies blijven opleveren, wat zal helpen bij het opbouwen van statistisch vertrouwen in de populatie.

Een vervorming en een nieuwe kans

GW231123 is niet zomaar de volgende toevoeging aan een groeiende catalogus van zwaartekrachtgolfontdekkingen. Het is een uitdaging: een datapunt dat schuurt tegen een theoretische grens en astrofysici dwingt om delen van het standaardverhaal uit te breiden of te vervangen. Of het antwoord nu ligt in herhaalde botsingen binnen drukke sterrenhopen, hongerige zwarte gaten die gas opslokken in galactische kernen, of een herziening van de fysica achter de dood van sterren, de ontdekking opent een nieuw venster op hoe de natuur de zwaarste compacte objecten bouwt.

Vooralsnog is het signaal een treffende herinnering aan de wetenschappelijke waarde van het luisteren naar het universum via zwaartekrachtgolven — en aan het feit dat sommige van de interessantste geheimen van de kosmos arriveren als een kortstondige, krachtige fluistering.

James Lawson is een onderzoeksjournalist op het gebied van wetenschap en technologie voor Dark Matter. Hij heeft een MSc in Science Communication en een BSc in Physics van University College London.