Voor het eerst zijn zwaartekrachtsgolven waargenomen die zijn ontstaan toen een zwart gat een hele neutronenster opslokte. Tot nog toe werden alleen golven gezien van onderling botsende zwarte gaten of botsende neutronensterren.
De ontdekking geeft zicht op een nieuwe categorie extreme objecten in het universum: paren van een zwart gat en een neutronenster. Astrofysici gingen ervan uit dat die er moesten zijn, maar gezien waren ze nog nooit. De observaties kunnen inzicht geven in de mechanismen die tot zulke paren leiden.
Dat heeft de internationale LIGO-Virgo samenwerking bekend gemaakt. Een publicatie over de waarnemingen verschijnt in The Astrophysical Journal Letters. Ondermeer gravitatiegolf-onderzoekers van Nikhef waren nauw betrokken bij de analyses van de signalen.
Golfpatronen
Op 5 januari 2020 registreerden de LIGO-detector in Livingstone (VS) en Virgo in Italië de eerste golfpatronen, afkomstig van de laatste momenten van de om elkaar heen draaiende objecten. Tien dagen later zagen de twee LIGO-detectoren in de VS (Livingston en Hanford) en Virgo opnieuw een dergelijk signaal.
Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen van de ruimte zelf, die volgens Einsteins relativiteitstheorie ontstaan bij extreme veranderingen in de ruimtetijd van het heelal, bijvoorbeeld botsende zwarte gaten. In 2015 werden zulke golven voor het eerst met instrumenten op aarde waargenomen.
De twee gebeurtenissen, GW200105 en GW200115 genaamd, verschillen wezenlijk van de signalen van samensmeltende paren van zwarte gaten en onderling botsende neutronensterren. “Astronomen hebben tientallen jaren gezocht naar radiopulsars rond zwarte gaten, maar hebben er tot nu toe geen gevonden in de Melkweg,” zegt Virgo-onderzoeker Astrid Lambert van CNRS in Nice. “Met deze nieuwe ontdekking over de ontbrekende dubbelster beginnen we eindelijk te begrijpen hoeveel van deze systemen bestaan, hoe vaak ze samensmelten en waarom we nog geen eerdere voorbeelden hebben gezien.”
Rijke fysica
Nikhef’s zwaartekrachtsgolfonderzoeker Chris Van Den Broeck (Universiteit Utrecht) voegt daaraan toe: “Afgezien van opwindende nieuwe informatie over de manier waarop compacte dubbelsystemen worden gevormd, hebben signalen als deze intrinsiek rijke fysica in zich, die zal leiden tot nieuwe wegen om de sterke zwaartekracht te peilen en te begrijpen.”
Uit de signalen is af te leiden dat het eerste signaal komt van een zwart gat van 8,9 zonsmassa’s en een neutronenster van 1,9 zonsmassa’s, zo’n 900 miljoen jaar geleden. De tweede golf kwam van een zwart gat van ongeveer 5,7 zonsmassa’s en een neutronenster van 1,5 zonsmassa, ongeveer een miljard lichtjaar ver weg.
Van beide gebeurtenissen is geen licht waargenomen. In theorie zou dat kunnen ontstaan als de neutronenster door de hevige getijdenkrachten uit elkaar wordt getrokken voor hij wordt opgeslokt. Vermoedelijk heeft het zwarte gat in deze gevallen de lichtere neutronenster al opgeslokt. “In één hap”, aldus de onderzoekers.
Paren
Op astrofysisch gebied is de vraag hoe paren van een zwart gat en een neutronenster kunnen ontstaan interessant. Beide kunnen ontstaan als een ster opbrandt en in een supernova ontploft, welke precies is afhankelijk van de stermassa.
Paren zouden kunnen ontstaan uit een dubbelster waarvan de sterren beide opbranden. Ze zouden ook kunnen ontstaan als een los zwart gat en een losse neutronenster elkaar toevallig in het heelal vinden.
Uit deze eerste twee metingen is niet op te maken wat hier de geschiedenis van de paren is geweest. In theorie zou dat uit de draaibewegingen van de componenten vóór de botsing op te maken kunnen zijn.
Enthousiasme
De eerste waarnemingen van gemengde botsingen van zwarte gaten en neutronensterren zijn enthousiast verwelkomd door de astronomische wereld. Onlangs nog benadrukten ondermeer onderzoekers van Nikhef dat zulke gemengde gebeurtenissen veel grote vragen in de astrofysica zouden kunnen beantwoorden, ondermeer over de expansie van het heelal. Daarvoor zouden nieuwe en grotere detectoren nodig zijn, was toen nog de conclusie.
LIGO en Virgo bereiden zich voor op een nieuwe waarnemingsronde vanaf 2022, waarbij ook de nieuwe KAGRA-detector, ondergronds in Japan, betrokken zal zijn.