De zwaartekrachtsgolfdetectoren van LIGO en Virgo hebben maandagnacht mogelijk voor het eerst trillingen gezien van een botsing in het zogeheten mass gap domein. In dat geval zijn op 1,7 miljard lichtjaar afstand twee objecten gebotst die zwaarder zijn dan alle bekend neutronensterren en lichter dan alle bekend zwarte gaten. Tot nog toe wordt gedacht dat zulke objecten niet voorkomen in het heelal.
Het signaal, dinsdagmorgen om 2.25 uur Europese tijd gemeten, wordt momenteel verder geanalyseerd. Op de publieke datawebsite gracedb.ligo.org/latest/ wordt de kans dat het een mass gap-gebeurtenis betrof nu groter dan 99 procent geschat. Dat oordeel is gebaseerd op de beste fit van modellen op het gevonden trillingssignaal. De massa’s zouden dan meer dan 2 zonsmassa’s zijn en kleiner dan ongeveer 5 zonsmassa’s.
Tot nog toe hebben LIGO en Virgo zo’n signaal nog nooit gezien. Versmeltende zwarte gaten zijn er in de LIGO-Virgo catalogus vanaf 8 zonsmassa’s, botsende neutronensterren tot circa 2 zonsmassa’s. Nikhef is nauw betrokken bij de bouw en metingen met de Europese Virgo-detector. Ook werken experts mee aan de analyses van de gezamenlijke metingen van de drie detectoren.
De nieuwe waarneming werd gedaan met de twee LIGO-detectoren in de VS en de Virgo-detector bij Pisa in Italië. Daardoor is de bron van de ruimtetijdtrilling betrekkelijk precies aan de hemel aan te wijzen. Astronomen wereldwijd richten momenteel telescopen op het gebied, om eventuele lichtsignalen op te vangen. Neutrinotelescopen als ICECUBE op de Zuidpool hebben al gemeld geen signalen te zien.
Zwaartekrachtsgolven zijn een consequentie van de relativiteitstheorie van Einstein uit 1915, waarin ruimte en tijd een vervormbaar geheel vormen. Bij botsingen van extreme massa’s zoals zwarte gaten kunnen in dat ruimtetijdweefsel trillingen ontstaan die zich als rimpels op een vijver door het universum bewegen. In 2015 werd voor het eerst een dergelijke zwaartekrachtsgolf gemeten.
Het is niet voor het eerst dat de software van LIGO-Virgo vermoedt dat er bij een trilling sprake is van een mass gap event. In een handvol eerdere zwaartekrachtsgolven van de huidige O3-meetcampagne sinds april werd dat eerst ook vermoed, maar was de conclusie later toch dat het om gewone botsende zwarte gaten of neutronensterren moest gaan. Daarbij was ondermeer een spraakmakende trilling van 14 augustus, waarnaar nog steeds onderzoek wordt gedaan.
Uit astronomische waarnemingen van dubbelsterren en pulsars leiden astronomen af dat er in dat tussengebied van stermassa’s geen objecten in het waarneembare heelal lijken te bestaan. Een sluitende verklaring voor dat mass gap is nog niet gevonden. Volgens sommige theoretici betekent dit dat de supernova’s waarbij neutronensterren ontstaan wezenlijk anders verlopen dan die waarbij zwarte gaten worden gevormd. Het kan ook zijn dat de waarnemingen van zulke tussenmassa’s lastiger zijn.
Volgens hoogleraar gravitatiefysica in Utrecht prof. Chris van Den Broeck, tevens verbonden aan Nikhef, zou een dergelijke waarneming veel opzien baren. ‘Als deze waarneming standhoudt, betekent het meteen dat het mass gap niet echt bestaat. Dat heeft zeker gevolgen voor theorieën over de levensloop van sterren.’
In de astrofysica bestaan solide modellen die de levensloop van sterren voorspellen. Als sterren van meer dan een paar zonsmassa’s door de brandstof voor het inwendige fusieproces heen raken, storten die in en produceren vervolgens een gigantische explosie, een zogeheten supernova. Bij relatief lichte sterren blijft er daarna volgens de modellen een compacte bol neutronen over met een diameter van enkele kilometers en een massa van hooguit 2,5 zonsmassa’s. Zo’n neutronenster heeft nu en dan heldere flitsen af, mogelijk als de neutronenkorst barst. Bij massievere sterren vormt zich een zwart gat van ongeveer 8 zonsmassa’s of meer. Zwarte gaten zelf zijn per definitie onzichtbaar.
Maar het tussenliggende gebied van 2-2,5 zonsmassa’s tot 5-8 zonsmassa’s lijkt in het zichtbare heelal geen optie. Waarom precies is onderwerp van discussie. Mogelijk zijn de sterexplosies van lichte en zware sterren verschillende processen. Anderzijds zijn er ook talloze andere redenen waarom niet alle supernova’s hetzelfde verlopen.
Veel astrofysici hebben al langer hun hoop gesteld op waarnemingen met zwaartekrachtsgolven, omdat daarmee de massa’s van botsende of elkaar opslokkende objecten rechtstreeks te schatten zijn. Dan zijn er twee opties, zegt Van Den Broeck. ‘Langdurig niks zien in dat massagebied is een soort bevestiging van het mass gap. Maar één mass gap event en alles wordt anders.’