Tien jaar na de eerste detectie ooit van een zwaartekrachtsgolf hebben onderzoekers van LIGO, Virgo en KAGRA (LVK) een cruciaal inzicht over het oppervlak van zwarte gaten bevestigd. “Hawking zou hiervan genoten hebben.”
In een artikel in het tijdschrift Physical Review Letters analyseren de onderzoekers van de LVK-experimenten een botsing tussen zwarte gaten die op 15 januari dit jaar werd waargenomen met de twee LIGO-detectoren in de VS. Daarbij versmolten op 1,4 miljard lichtjaar afstand van de aarde met een enorme klap twee zwarte gaten van 30-40 zonsmassa’s, een klap die het heelal zelf deed schudden.
Zwaartekrachtsgolven zijn trillingen van de ruimtetijd zelf die ontstaan als extreem compacte objecten als zwarte gaten of neutronensterren met elkaar botsen of versmelten. Dit volgt uit de relativiteitstheorie van Einstein, die de golven begin vorige eeuw voorspelde, maar betwijfelde of ze te meten zouden zijn.
Uitdaging
Zwaartekrachtsgolven detecteren is inderdaad een uitdaging. Lengtes variëren minder dan een tienduizendste van de diameter van een waterstofkern als zo’n vervorming passeert. Dat is alleen met kilometers lange spiegelsystemen en lasers te meten.
Op 14 september 2015 werd zo’n trilling voor het eerst daadwerkelijk waargenomen met de LIGO-detectoren in de VS, die toen net in gebruik waren genomen. De detectie GW150914, waarin ook de mede door Nikhef gerunde Europese Virgo-detector een grote rol speelde, was wereldnieuws in 2016. Sindsdien zijn in de laseropstellingen nieuwe technieken geïntroduceerd, waardoor de ruis verder kan worden onderdrukt.
Fysische informatie
De huidige detectoren in de VS, Europa en Japan nemen samen ongeveer eens in de drie dagen zo’n botsing ergens in het heelal waar. Een passerende golf laat de lengtes van de installaties iets variëren. Uit de precieze vorm van de beweging is veel fysische informatie over de botsende zwarte gaten af te leiden.
Volgens astronomen ontstaan zwarte gaten door het instorten van uitgebrande sterren. Het gaat om extreem compacte massa’s in het heelal die de ruimtetijd zo sterk vervormen dat er geen licht meer kan ontsnappen uit deze putten in de ruimte zelf. Zwarte gaten hebben daardoor een rand die als een bolvormige horizon werkt; wat achter dat oppervlak gebeurt is onzichtbaar. Wat de horizon passeert, verdwijnt voorgoed.
Groter oppervlak
Conclusie van de nieuwe studie is dat het oppervlak van het nieuw gevormde zwarte gat met 99,999 procent zekerheid flink groter is dan de twee oorspronkelijke oppervlakken samen. Voor de botsing was het oppervlak van de zwarte gaten samen 240 duizend vierkante kilometer (ongeveer zo groot als het Verenigd Koninkrijk), daarna 400 duizend vierkante kilometer (formaat Zweden).
Dat resultaat sluit keurig aan bij een stelling van de Britse theoreticus Stephen Hawking uit 1971 dat de horizon van een zwart gat uitsluitend kan toenemen. Het oppervlak van een zwart gat geldt dankzij werk van Hawking en zijn collega Jacob Bekenstein als een maat voor de entropie van het systeem, de mate van wanorde. Die kan volgens de basiswetten van de natuurkunde alleen maar toenemen. Dat gegeven is een belangrijk element bij pogingen om relativiteitstheorie en quantumtheorie te verenigen.
Bevestiging
Hawking belde in 2016 met theoreticus Kip Thorne van Caltech, een van de aartsvaders van de LIGO-detector, met de vraag of de waarnemingen zijn befaamde oppervlaktestelling zouden kunnen testen. Hawking overleed in 2018 en kreeg die bevestiging dus nooit. “Maar als Stephen nog leefde zou hij genoten hebben van wat nu is waargenomen”, zegt Thorne die in 2017 een Nobelprijs kreeg voor zijn werk aan zwaartekrachtsgolven.
De nieuwe studie over waarneming GW250114 (code voor een zwaartekrachtsgolf gemeten op 14 januari 2025) laat zien hoe precies de huidige detectoren de signalen inmiddels kunnen meten. De botsing is goed vergelijkbaar met de primeur uit 2015: een versmelting van twee zwarte gaten van 30 tot 40 zonsmassa’s op ongeveer 1,3 miljard lichtjaar afstand.
Luid en duidelijk
Tien jaar geleden was de waarneming van een zwaartekrachtsgolf überhaupt een wetenschappelijke doorbraak. Sindsdien zijn de meettechnieken aanmerkelijk verbeterd, en kunnen de laseropstellingen ook de vórm van de passerende ruimtetrillingen heel precies vastleggen. “We horen ze luid en duidelijk”, aldus de auteurs van de studie.
Met name de zogeheten ringdown van een trillend zwart gat dat ontstaat door een botsing van twee kleinere zwarte gaten, het wegsterven van de golven na de klap, geeft daarover gedetailleerde informatie. Ondermeer massa en rotatie zijn daaruit af te leiden.
Ontdekkingstocht
Hoogleraar relativiteit Chris Van Den Broeck van Nikhef en de Universiteit Utrecht, sinds lang verbonden aan de LVK-samenwerking, zegt dat event GW250114 laat zien hoe goed het mogelijk is geworden om fundamentele eigenschappen van zwarte gaten rechtstreeks te meten. “Dit is het begin van een geweldige ontdekkingstocht.”
Hij zegt verheugd te zijn over wat LIGO, Virgo en KAGRA al laten zien. Hij zegt tegelijk ook uit te kijken naar nog betere meettechnieken, bijvoorbeeld met de Einstein Telescope, een voorgesteld zwaartekrachtsobservatorium met armen van tien kilometer onder de grond. Mogelijk wordt dat gebouwd in de grensregio van Nederland, België en Duitsland.
Nikhef
De komende week vieren fysici in de hele wereld de tiende verjaardag van de eerste waarneming van een zwaartekrachtsgolf. Die opende een nieuw venster op het universum, dat tot dan alleen via licht en radiogolven te bestuderen was. Ook op Nikhef in Amsterdam wordt de geboorte van het vakgebied feestelijk herdacht.
