Primeur: Virgo en LIGO zagen “verboden” object versmelten met zwart gat

23 June 2020

Op 14 augustus 2019 registreerden de Virgo-detector in Italie en de LIGO-detectoren in de VS een krachtige zwaartekrachtsgolf die astronomen nu voor een raadsel stelt. Een van de versmolten compacte objecten was geen gewoon zwart gat maar volgens gangbare astrofysica ook geen gewone neutronenster.

Astronomen verbazen zich al lang over het ontbreken van observaties van compacte objecten met massa’s variërend van 2,5 tot 5 zonnemassa’s. Dit raadselachtige grijze gebied staat bekend als de ‘massakloof’ of mass-gap:  objecten die blijkbaar te licht zijn voor een zwart gat en te zwaar voor een neutronenster. Het lijkt erop dat restanten van ontplofte sterren met deze massa’s verboden zijn in de natuur. Waarom weet niemand.

Zowel neutronensterren als zwarte gaten ontstaan wanneer zeer massieve sterren hun kernbrandstof opbranden en als supernova’s exploderen. Wat overblijft hangt af van hoeveel van de kern van de ster blijft. De lichtere kernen hebben de neiging neutronensterren te vormen, terwijl de zwaardere in zwarte gaten instorten. Begrijpen of er werkelijk een massakloof bestaat in het genoemde bereik, en waarom, is een langdurige puzzel voor wetenschappers.

Projectie van de door Virgo en LIGO waargenomen zwaartekrachtsgolven op 14 augustus 2019, afkomstig uit maar een klein gebiedje aan de hemel.

Nu lijkt er een gebeurtenis (video) waargenomen die het idee van een astrofysische massakloof onderuit haalt. Dat hebben samenwerkende onderzoekers van de Advanced Virgo detector op de European Gravitational Observatory (EGO), in de buurt van Pisa in Italië, en van de Advanced LIGOs, in de VS, aangekondigd. Zij ontdekten een zwaartekrachtsgolf die is veroorzaakt door een een object van ongeveer 2,6 zonnemassa’s. Dat is binnen de massakloof en werpt de vraag op of die kloof wel echt bestaat, of misschien toevallig nog nooit is waargenomen.

De aard van het object zelf blijft mysterieus, omdat de zwaartekracht-golf waarnemingen alleen niet vertellen of het een zwart gat of een neutronenster is. Ongeveer 800 miljoen jaar geleden fuseerde het object met een zwart gat van 23 zonnemassa’s en genereerde een nieuw object van zo’n 25 keer de massa van de zon.

De fusie gaf een intense zwaartekrachtgolf, die op 14 augustus 2019 werd waargenomen door de drie instrumenten in het meetnetwerk. De waarneming wordt GW190814 genoemd. De ontdekking is zojuist gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters.

“Zwaartekrachtsgolven werpen opnieuw licht op het onbekende. Het lichtste object in dit systeem heeft een massa die nooit eerder is waargenomen”, zegt Giovanni  Losurdo, van het Istituto  Nazionale di  Fisica Nucleare  (INFN, Italië) en de woordvoerder van de Virgo-collaboratie waaraan ook Nikhef deelneemt. “Dit is een nieuwe ontdekking, die nieuwe vragen oproept. Wat is de aard van het object? Hoe heeft zo’n binair systeem zich gevormd? Virgo, LIGO en binnenkort ook Kagra in Japan, zullen blijven zoeken naar de antwoorden en de grens verleggen van wat we weten over de kosmos waarin we leven.”

Een andere eigenaardigheid van deze gebeurtenis is dat de versmelting plaatsvond bij een zeer ongebruikelijke verhouding tussen de massa’s van de objecten in het dubbelsysteem. De grotere massa is ongeveer 9 keer zwaarder dan de kleinere massa.

“De waarneming van deze nieuwe klassen van gebeurtenissen beproeft ook onze modellen en analyse-tools tot het uiterste”, zegt Ed Porter, Virgo-onderzoeker bij CNRS en co-voorzitter van de Compact Binary Coalescence analyse groep voor de LIGO en Virgo samenwerkingen. “Hoewel er nog veel is dat we niet weten over dit systeem, maken juist onkarakteristieke systemen zoals GW190814 zwaartekrachtsgolf-astronomie zo spannend.”

Het signaal van de ongebruikelijke fusie werd duidelijk waargenomen door alledrie de instrumenten van het LIGO-Virgo-netwerk, met een totale signaal-ruisverhouding tot 25. Vooral dankzij de vertraging tussen de aankomsttijden bij de verspreide detectoren in de VS en Italië, kon het netwerk de oorsprong van de golf aan de hemel lokaliseren binnen 19 vierkante graden.

Toen de LIGO- en Virgo-wetenschappers dit signaal zagen, stuurden ze meteen een waarschuwing naar de astronomische gemeenschap. Veel grond- en ruimtetelescopen volgden op zoek naar licht en andere elektromagnetische golven. Die zijn niet gevonden. Tot nog toe is alleen bij de beroemde fusie van twee neutronensterren, ontdekt in augustus 2017, een visueel signaal opgepikt. Destijds betekende GW170817 de geboorte van de multimessenger-astronomie.

Er kunnen verschillende redenen zijn dat er bij GW190814 geen lichtsignaal is gezien. Ten eerste was dit evenement zes keer verder weg dan GW170817, waardoor het moeilijker was om lichtsignalen op te pikken. Ten tweede, als de botsing twee zwarte gaten betrof, zou het waarschijnlijk geen licht hebben uitgestraald. Ten derde, als het kleinere object in het systeem in feite een neutronenster was, zou zijn 9-voudige massievere black-hole partner die volledig hebben opgeslokt; daarbij wordt geen licht afgeven.

“Ik denk aan Pac-Man die een blokje eet”, zegt Vicky Kalogera, onderzoeker van de LIGO-samenwerking en professor aan de  Northwestern  University. “Als de massa’s zeer ongelijk zijn, kan de kleinere neutronenster in één hap worden opgegeten.”

De identiteit van het vorig jaar ontdekte object blijft daarmee een mysterie. “Het verklaren van de vorming van het gedetecteerde binaire systeem is moeilijk. De unieke combinatie van massaverhouding en massa’s is een uitdaging voor alle astrofysische modellen”, legt Mario Spera uit, Virgo-onderzoeker aan de Universiteit van Padova en momenteel aan de Northwestern University.

Spera: “We missen nog steeds een groot deel van het verhaal over de vorming en evolutie van compacte restanten van sterren. Mogelijk moeten we onze ideeën daarover herzien.”

“Naast het in kaart brengen van compacte objecten en hun massa’s, is deze detectie ook razend interessant voor ons begrip van de ruimtetijd zelf,” zegt Chris Van Den Broeck, hoogleraar bij Universiteit Utrecht en Nikhef-onderzoeker. “Wanneer twee objecten met sterk verschillende massa’s op het punt staan te botsen, zouden er volgens Einsteins relativiteitstheorie krachtige ‘boventonen’ van het basissignaal moeten ontstaan. Sterke aanwijzingen hiervoor waren reeds te zien in een recent gepubliceerde detectie van dubbele zwarte gaten, maar hier zijn de boventonen wel heel nadrukkelijk aanwezig.  Zo beginnen we steeds meer toegang te krijgen tot de dynamica van gekromde ruimtetijd.”