Een astrofysische primeur voor zwaartekrachtsgolfdetectoren Virgo en LIGO. De detector in Italië en de twee detectoren in de VS hebben direct bewijs gevonden voor het bestaan van middelzware zwarte gaten in het heelal. Dat maken de onderzoeksteams op uit een ruimtetijdtrilling die op 21 mei 2019 werd opgevangen.
Vandaag publiceren de onderzoekers twee artikelen met analyses van het signaal dat GW190521 is genoemd. De ruimtetijdtrilling is volgens die analyses afkomstig van twee versmeltende zwarte gaten van naar schatting 66 en 85 keer de massa van de zon. Daarbij ontstond een nieuw zwart gat van circa 142 maal de massa van de zon.
De kosmische botsing vond 7 miljard jaar eerder plaats, diep in het heelal. Ongeveer 9 zonsmassa’s werden in één klap omgezet in ruimtetijdtrillingen, die uiteindelijk ook de aarde zouden bereiken.
De geschatte massa’s van de twee aanvankelijke zwarte gaten vallen buiten het massa-bereik dat volgens de theorie voor sterevolutie mogelijk is. Het resulterende zwarte gat van 142 zonsmassa’s is het meest massieve dat ooit rechtstreeks is waargenomen met telescopen of detectoren als Virgo.
Theorieën
De conclusie van de onderzoekers is belangrijk voor astrofysische theorieën over het ontstaan van zwarte gaten, zowel relatief lichte uit instortende opgebrande sterren als de superzware zwarte gaten in centra van veel melkwegstelsels. Een zwart gat is een defect in de ruimtetijd dat ontstaan rond een extreem compacte grote massa. Uit zo’n gebied kan zelfs licht niet ontsnappen.
Zwaartekrachtsgolven zijn trillingen van de ruimte zelf, die volgens Einsteins relativiteitstheorie ontstaan bij extreme botsingen van grote massa’s. Zulke subtiele trillingen werden in 2015 voor het eerst gemeten met de twee LIGO-detectoren in de VS, in Washington en Louisiana. Ook Virgo van het EGO-laboratorium bij Pisa was bij de eerste waarneming betrokken.
Nikhef is een van de partners in het Virgo-project en Nikhef-onderzoekers als Sarah Caudill en Chris Van Den Broeck en hun post-docs werkte intensief mee aan de nieuwe publicaties. Detectoren voor zwaartekrachtsgolven meten met interferrerend laserlicht extreem kleine en kortdurende afstandsvariaties tussen grote spiegels op drie (Virgo) of vier (LIGO) kilometer afstand.
Kort en krachtig
Botsingen van zwarte gaten in het heelal zijn sinds 2015 al veelvuldig waargenomen, maar nog nooit met zulke grote beginmassa’s en zo’n zwaar eindresultaat. Het GW190521 signaal was daardoor uitzonderlijk kort en krachtig, vergeleken met andere waarnemingen. Dat maakt de interpretatie ervan ingewikkeld.
Twee wetenschappelijke artikelen die de ontdekking en de astrofysische implicaties ervan rapporteren, zijn vandaag gepubliceerd in respectievelijk Physical Review Letters en Astrophysical Journal Letters.
Deze initiële zwarte gaten dagen astrofysische modellen uit die de ineenstorting van de zwaarste sterren tot zwarte gaten beschrijven. Volgens deze modellen worden de allerzwaarste sterren volledig verscheurd door de supernova-explosie en laten ze daarom alleen gas en kosmisch stof achter.
Daarom zouden astrofysici geen zwart gat verwachten in het massabereik tussen ongeveer 60 en 120 zonsmassa’s: precies wel het massabereik waarin het meest massieve initiële zwarte gat van GW190521 ligt.
Mass gap
De detectie geeft daarmee nieuw zicht op zware sterren en de mechanismen achter supernovae. “Verschillende scenario’s voorspellen de vorming van zwarte gaten in de zogenaamde ‘pair instability mass gap’: ze kunnen het gevolg zijn van het samensmelten van kleinere zwarte gaten of van de botsing van (meerdere) zware sterren of zelfs van meer exotische processen”, zegt Michela Mapelli van de Universiteit en INFN van Padova, en lid van de Virgo Collaboration.
Analyses en modellen suggereren nu dat de aanvankelijke zwarte gaten met hoge snelheid om hun eigen as roteerden, zogenaamde ‘spins’. “Het signaal toont hints van precessie, een rotatie van het baanvlak geproduceerd door spins met een grote omvang en een bepaalde oriëntatie”, zegt Tito Dal Canton, CNRS-onderzoeker bij IJCLab in Orsay, Frankrijk, en lid van de Virgo Collaboration.
“Het effect is zwak en we kunnen niet met zekerheid beweren dat het aanwezig is. Maar als het waar is, zou dit de hypothese ondersteunen dat de initiële zwarte gaten in een zeer wankele en overvolle kosmische omgeving zijn ontstaan, zoals een sterrenhoop of de accretieschijf van de kern van een sterrenstelsel.”
Primordial black holes
Ook andere scenario’s zijn in lijn met de getoonde resultaten, zoals de hypothese dat de initiële zwarte gaten van de samensmelting zogenaamde primordial black holes kunnen zijn: zwarte gaten die in het uiterst vroege heelal ontstonden nog voordat er sterren bestonden.
Vergeleken met eerdere detecties van zwaartekrachtsgolven is het waargenomen GW190521-signaal erg kort in tijd en moeilijker te analyseren. Ook andere meer exotische bronnen zijn overwogen, en deze mogelijkheden worden beschreven in een begeleidende publicatie. Deze opties worden echter minder waarschijnlijk geacht, vooral omdat het eindproduct van de samensmelting weer een zwart gat was.
