Botsingen zwart gat en neutronenster kunnen wetenschappelijke tweestrijd beslechten

28 april 2021

Metingen van zwaartekrachtsgolven kunnen een diepgaand meningsverschil over de uitzetsnelheid van het universum gaan beslissen. Meetbare botsingen van zwarte gaten met neutronensterren leveren daarvoor genoeg informatie.

Dat schrijven Britse, Zweedse en Nederlandse onderzoekers van onder meer de universiteit van Amsterdam en Nikhef in een artikel in Physical Review Letters. Zij deden computersimulaties van 25 duizend van zulke botsingen om te zien hoeveel er daarvan kunnen worden opgemerkt met zwaartekrachtsgolf-detectoren op aarde.

De resultaten zijn hoopgevend, blijkt uit de studie, van ondermeer onderzoeker Samaya Nissake van UvA en Nikhef. Van de botsingen zouden er het komende decennium zo’n 3000 gedetecteerd kunnen worden, waarbij er van 100 ook licht wordt opgevangen door telescopen.

Twee methodes

De metingen zouden uitsluitsel kunnen geven in een hardnekkige discrepantie in de natuurkunde, de uitzettingssnelheid van het heelal sinds de oerknal. Er bestaan tot nog toe twee meetmethodes om die snelheid te bepalen, de een via de helderheid en snelheid van pulserende en exploderende sterren, de ander via fluctuaties in de straling van het vroege heelal.

Die methodes geven heel verschillende uitkomsten, beide behoorlijk nauwkeurig: 74 kilometer per seconde per megaparsec voor de stermethode en 67 km/s/Mpc voor de oerknalstraling. Het verschil zou eventueel kunnen duiden op een nog onbekende natuurkracht, die in de bestaande natuurkundige theorie niet voorkomt.

‘Een derde meetmethode, die kijkt naar explosies van licht en rimpelingen in de ruimtetijd door botsingen van zwarte gaten en neutronensterren, zou het dispuut kunnen oplossen en aangeven of onze theorie van het universum wel of niet moet worden herschreven’, aldus de onderzoekers in een persbericht.

Observatoria

Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen van ruimte en tijd die ontstaan als zeer compacte objecten als neutronensterren of zwarte gaten op elkaar botsen. Zulke golven worden sinds 2015 waargenomen met grote observatoria als LIGO in de VS en Virgo in Italië. In 2017 werden ook botsende neutronensterren waargenomen. In Japan is KAGRA in de opstartfase en in India wordt LIGO-India gebouwd.

Tot nog toe namen de observatoria botsingen van twee zwarte gaten waar of van twee neutronensterren. Bij de eerste komt geen licht vrij, bij de tweede wel. Botsingen van een zwart gat met een neutronenster zijn in theorie interessant omdat ze zowel een sterk golfsignaal geven als de kans op licht.

Roodverschuiving

Die kans is niet groot, in de meeste gevallen slokt het zwarte gas de neutronenster op. Soms wordt de neutronenster voor die tijd uit elkaar getrokken, waardoor er wel licht uit het proces komt. Uit de roodverschuiving van dat licht is de snelheid van de ster te bepalen, uit de zwaartekrachtsgolven de afstand. Daaruit is de uitdijing van het heelal te berekenen.

In de nieuwe simulatiestudie laten de onderzoekers zien dat de observatoria de komende tien jaar samen genoeg signalen van zulke botsingen zouden kunnen opvangen.