Nieuw zwart gat ontdekt met Gaia-satelliet

Brussel, 16 April 2024 – De Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) en de Gaia-samenwerkingsteams melden vandaag de ontdekking van een zwaar stellair zwart gat met 33 keer de massa van onze zon in de Melkweg. De Koninklijke Sterrenwacht van België heeft bijgedragen aan deze ontdekking met metingen van de radiële snelheden.

Derde zwarte gat ontdekt met Gaia-gegevens

Een stellair zwart gat ontstaat bij de plotselinge ineenstorting en daaropvolgende supernova-explosie van een zware ster aan het einde van zijn korte leven, nadat hij al zijn brandstof heeft verbruikt. Gaia heeft het nieuwe zwarte gat waargenomen in een systeem van twee sterren die door de zwaartekracht gebonden blijven (een dubbelster genaamd) in de binnenste halo van de Melkweg. De halo is een bolvormige wolk van geëvolueerde sterren die haar centrum omringt. Het is het derde stellaire zwarte gat dat Gaia heeft ontdekt. De eerste twee maken ook deel uit van dubbelsterren.

De Gaia-gegevens tonen dat het nieuwe zwarte gat bestaat uit een begeleidende reuzenster en een stellair zwart gat van ongeveer 33 keer de zonsmassa. Omdat dit het derde zwarte gat is geïdentificeerd met Gaia-gegevens werd deze bijzondere dubbelster Gaia BH3 gedoopt.

De nieuwe ontdekking werd afgelopen maart gedaan door een groot internationaal team van ongeveer 450 onderzoekers die samenwerken in Gaia’s Data Processing & Analysis Consortium. Het DPAC bereidt momenteel zijn vierde gegevensvrijgave voor, de nieuwste versie van de Gaia-gegevenscatalogus verwacht voor 2026. Vijf onderzoeksinstellingen in België dragen bij aan deze publicatie en worden ondersteund door het Federaal Wetenschapsbeleid (BELSPO): de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB), Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven), Université Libre de Bruxelles (ULB), Université de Liège (ULiège), en Universiteit Antwerpen (UAntwerpen).

Ontdekking bevestigd door andere waarnemingen

De ontdekking van een nieuw zwart gat komt niet geheel onverwacht omdat het gegevensverwerkingsproces van Gaia ontworpen is om automatisch speciale gevallen op te pikken door alle gegevens te combineren die gedurende verschillende opeenvolgende jaren werden waargenomen. Het DPAC-team van de ULB vergeleek de astrometrische en spectroscopische gegevens van Gaia om de massa’s en helderheden van de sterren in dubbelstersystemen te berekenen. Ze identificeerden Gaia BH3 als een nieuwe dubbelster waarvan één ster geen helderheid heeft, maar met een enorme massa van wel 33 keer de zon. Deze eigenschappen komen overeen met een stellair zwart gat. De hoge-resolutiespectra van Gaia worden gekalibreerd en gebruikt voor nauwkeurige metingen van de radiële snelheid (RV) van sterren, in dit geval deze van de zichtbare reuzenster in Gaia BH3. Wetenschappers van de KSB, ULiège, en UAntwerpen dragen actief bij aan deze minutieuze RV metingen in het DPAC.

Eerder onderzoek toont aan dat zwarte gaten in dubbelsterren op zich geen verrassing zijn. Meer dan de helft van alle sterren in de Melkweg zijn binaire of meervoudige systemen. De samenstellende sterren bewegen omheen een gemeenschappelijk zwaartepunt maar evolueren niet met hetzelfde ritme afhankelijk van hun gewicht.

Zwaar zwart gat geboren uit metaalarme massieve ster

De ontdekking van een nieuw zwart gat met een hoge massa werd reeds bevestigd door andere waarnemingen met telescopen op aarde. De DPAC-teams hebben de spectra gecombineerd van drie Europese telescopen te La Palma in Spanje (Hermes spectrograaf van de Mercator telescoop), in Frankrijk te Observatoire de Haute-Provence, en in Chili (ESO: Very Large Telescope). De Mercator telescoop gebruikt voor nauwkeurige RV metingen de Hermes spectrograaf, ontwikkeld dankzij de samenwerking van drie Belgische onderzoeksinstellingen (KU Leuven, ULB, KSB) die ook bijdragen aan de dagelijkse werking.

De theorie die de evolutie van sterren modelleert, is nog steeds niet in staat om het bestaan van een dergelijk zwaar zwart gat in Gaia BH3 te verklaren. Een belangrijk punt dat door deze ontdekking en de hoge-resolutiespectra van Gaia aan het licht is gekomen, is dat de atmosfeer van de reuzenster die het zwarte gat vergezelt heel weinig metalen bevat. Het is een oude reuzenster die voornamelijk uit waterstof en helium bestaat, typisch voor de sterren van de galactische halo. Dit zou bevestigen dat de sterren die aan de oorsprong liggen van zware stellaire zwarte gaten ook weinig metalen bevatten. Deze specifieke chemische samenstelling zou verklaren waarom ze compacter waren en minder massa hebben verloren dan gewoonlijk wordt waargenomen.

De spectra van Gaia tonen namelijk aan dat de oude reuzenster niet werd verrijkt met metalen tijdens de explosie van zijn begeleider, voordat het zwarte gat werd gevormd. Deze ontdekking toont voor het eerst aan dat een dergelijk zwaar stellair zwart gat kan ontstaan zijn door het inklappen en exploderen van een zware metaalarme ster, die heel anders evolueerde dan de zware sterren die vandaag in het Melkwegstelsel worden waargenomen.

Links:

Deze onderzoeksresultaten staan beschreven in het artikel “Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry by Gaia Collaboration” (Gaia Collaboration, P. Panuzzo et al.), gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics: https://aanda.org/10.1051/0004-6361/202449763

Persbericht van ESA: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia/Sleeping_giant_surprises_Gaia_scientists