De zwaartekrachtsgolfdetectoren LIGO en Virgo hebben twee recente botsingen waargenomen van zwarte gaten die waarschijnlijk ontstaan zijn in eerdere botsingen.
Het artikel dat vandaag in Astrophysical Journal Letters is verschenen, beschrijft twee zwaartekrachtgolfgebeurtenissen op 11 oktober en 10 november vorig jaar, die het gevolg waren van botsende zwarte gaten. Opvallend is dat in beide gevallen één van de zwarte gaten veel zwaarder is dan het andere, met daarnaast een ongebruikelijke rotatie of spin.
De aanname is dat het zware component het resultaat is van een eerdere fusie van zwarte gaten, ergens in een dichte en drukke omgeving zoals een sterrencluster. In theorie kunnen zwarte gaten keer op keer fuseren met andere zwarte gaten, waardoor een nieuw en groter zwart gat ontstaat, ook wel hiërarchische fusies genoemd. De nieuwe waarnemingen bevestigen dit.
Interferometers
LIGO en Virgo zijn interferometers in de VS en Italië die met behulp van lasers en spiegels kleine variaties in afstanden meten wanneer een zwaartekrachtgolf uit het heelal ruimte en tijd vervormt. Dergelijke ruimte-tijdtrillingen worden veroorzaakt door botsende zwarte gaten of neutronensterren. Nikhef is partner in Virgo bij Pisa en lid van de LIGO-Virgo-KAGRA-samenwerking die de metingen analyseert.
Het eerste golfsignaal werd gemeten op 11 oktober 2024 en is toe te schrijven aan de fusie van een zwart gat met een massa van 17 zonsmassa’s en een met een massa van 7 zonsmassa’s op een afstand van 700 miljoen lichtjaar. Het zware exemplaar van GW241011 had de hoogste spin die tot nu toe is waargenomen.
Unieke draairichting
Een maand later, op 10 november, werd een signaal GW24 gedetecteerd op 2,4 miljard lichtjaar afstand van de botsing van een zwart gat met een massa van 16 zonsmassa’s en een met een massa van 8 zonsmassa’s. Opmerkelijk was dat het zware exemplaar in tegengestelde richting draaide ten opzichte van de normale draairichting, wat een primeur was.
De zware componenten in beide fusies zijn waarschijnlijk afkomstig van eerdere fusies van zwarte gaten. Tot nu toe werd aangenomen dat de meeste zwarte gaten ontstaan door het instorten van sterren. Deze nieuwe waarnemingen tonen voor het eerst alternatieve manieren aan waarop sommige zwarte gaten fusie na fusie groeien, zegt Nikhef-expert op het gebied van zwaartekrachtgolven Chris Van Den Broeck in Utrecht.
Van Den Broeck: “Dit is erg spannend, ook omdat het aangeeft wat toekomstige zwaartekrachtsgolfobservatoria zoals Einstein Telescope en LISA zullen kunnen leveren. Samen zullen deze in staat zijn om de fusiegeschiedenis van zwarte gaten van honderden tot meer dan een miljard zonsmassa’s te reconstrueren, gedurende de hele levensduur van het heelal, en andere vormingsscenario’s te bestuderen, zoals oerzwarte gaten die direct na de oerknal zijn ontstaan.”
300 botsingen
Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst voorspeld door Albert Einstein als onderdeel van zijn algemene relativiteitstheorie in 1916. Hoewel hun bestaan al in de jaren zeventig werd bewezen, werden ze pas tien jaar geleden voor het eerst rechtstreeks waargenomen door wetenschappers, toen de wetenschappelijke samenwerkingsverbanden LIGO en Virgo de detectie van golven van een fusie van zwarte gaten aankondigden.
Tegenwoordig is LIGO-Virgo-KAGRA een wereldwijd netwerk van geavanceerde zwaartekrachtgolfdetectoren en nadert het einde van zijn vierde observatieperiode, O4. De huidige periode begon eind mei 2023 en zal naar verwachting tot half november van dit jaar duren.
Tot nu toe zijn er ongeveer 300 botsingen van zwarte gaten gedetecteerd via zwaartekrachtgolven, inclusief kandidaten die zijn geïdentificeerd in de lopende O4-run en die wachten op definitieve validatie.
Kerr-effect
De nauwkeurigheid waarmee GW241011 werd gemeten maakt het ook mogelijk om belangrijke voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie onder extreme omstandigheden te testen. Door zijn snelle rotatie vervormt bijvoorbeeld het zwarte gat lichtjes, waardoor het een karakteristieke vingerafdruk achterlaat in de zwaartekrachtgolven die het uitzendt, het zogenaamde Kerr-effect. Door GW241011 komt uitstekend overeen met de oplossing van Kerr en bevestigde het Einsteins voorspelling met een ongekende nauwkeurigheid.
Boventonen
Omdat de massa’s van de afzonderlijke zwarte gaten bovendien aanzienlijk verschillen, bevat het zwaartekrachtsgolfsignaal de “brom” van een hogere harmonische – vergelijkbaar met de boventonen van muziekinstrumenten, die pas voor de derde keer ooit in GW241011 werden waargenomen. Een van deze harmonischen werd met buitengewone helderheid waargenomen, wat ook een voorspelling uit Einsteins theorie bevestigt.
