Dit is een gezamenlijk persbericht van Nikhef, de Radboud Universiteit en de Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie NOVA.
De gedetecteerde zwaartekrachtsgolf GW150914 blijkt afkomstig te zijn van twee samensmeltende zwarte gaten die zich op een afstand van ongeveer 1,5 miljard lichtjaar van de aarde bevonden. De zwarte gaten waren 35 en 30 zonsmassa’s zwaar voordat ze samensmolten tot een nieuw, snel roterend zwart gat van 62 zonsmassa’s. De overige drie zonsmassa’s zijn via E = mc^2 omgezet in energie en uitgestraald als zwaartekrachtsgolven. Dat is vijf duizend keer zoveel energie als de zon in zijn hele leven produceert.
Astronoom Gijs Nelemans (Radboud Universiteit), een van de twee coördinerende editors van het artikel over de astrofysische implicaties van de eerste detectie van zwaartekrachtsgolven: “We hebben heel veel geluk gehad, want de ‘knal’ vond plaats op maar een fractie van de afstand tot waar we hem hadden kúnnen zien met de LIGO-detector. Daardoor is het ook een heel helder signaal.” Het artikel is vandaag gepubliceerd in Astrophysical Journal Letters.
Stellaire zwarte gaten ontstaan aan het eind van het leven van zeer zware sterren (meer dan ~20 keer de massa van de zon). Wanneer al het materiaal in hun kern in ijzer is omgezet en er dus geen ‘brandstof’ meer is voor kernfusie stort de kern in elkaar en ontploffen sommige als supernova. Dit is de geboorte van een zwart gat. In een dubbelstersysteem kunnen zo twee zwarte gaten ontstaan. De samensmelting van twee zwarte gaten was nog nooit eerder gezien.
In het paper schrijven de auteurs dat de massa’s van de zwarte gaten waar de zwaartekrachtsgolf van afkomstig is veel groter zijn dan die van de zwarte gaten die al bekend waren. Die laatste bevinden zich bijna allemaal in onze Melkweg en hebben massa’s van vijf tot hooguit twintig keer die van de zon. De reden daarvoor is dat sterren doorgaans niet worden gevormd met massa’s boven de 100 tot 150 zonsmassa’s en tijdens hun evolutie een groot deel van de materie in de vorm van een sterrenwind verliezen.
De theorie voorspelt dat sterren die minder zware elementen in hun gas bevatten dan de zon, minder sterke sterwinden hebben en dus zwaardere zwarte gaten kunnen vormen. Sommige waarnemingen lijken dat te bevestigen; zo zijn de zwarte gaten in de Kleine Magelhaense Wolk, waar minder zware elementen zijn, wat zwaarder dan die in de Melkweg, maar nog steeds niet zwaarder dan 20 zonsmassa’s.
De vorming van dit soort stellaire dubbele zwarte gaten kan op twee manieren gebeuren:
1. Door de evolutie van een dubbelster die uit twee zware sterren bestaat en waarbij beide sterren een zwart gat vormen. Zo’n evolutie is vrijwel identiek aan de evolutie die de Amsterdamse emeritus-hoogleraar Ed van den Heuvel ruim veertig jaar geleden heeft voorgesteld voor de vorming van dubbele neutronensterren. De twee sterren hebben alleen iets meer massa. Maar de Amsterdamse sterrenkundige Selma de Mink heeft recentelijk een heel nieuwe route voorgesteld, waarbij de sterren snel roteren en dan veel efficiënter zijn in het vormen van zware zwarte gaten;
2. Doordat in sterrenhopen zware sterren ineenstorten tot een zwart gat en vervolgens door dynamische interacties paren vormen. De Leidse astronoom Simon Portegies Zwart heeft vijftien jaar geleden door middel van simulaties laten zien dat op die manier ook veel dubbele zwarte gaten kunnen ontstaan.
Uit de samensmelting die nu tot zwaartekrachtsgolf GW150914 heeft geleid hebben de astronomen een ruwe schatting gemaakt van het aantal samensmeltingen dat plaatsvindt in het ‘nabije’ heelal (binnen enkele miljarden lichtjaren). Dat blijkt ongeveer even groot als ze verwachtten, al zijn de onzekerheden zowel in de verwachtingen als de meting aan de hoge kant.
Nelemans en collega’s hebben meer waarnemingen van zwaartekrachtsgolven nodig om te kunnen onderzoeken op welke manier dit soort exotische objecten precies ontstaat en wat dat betekent voor het begrip van de evolutie van zware (dubbel)sterren.
Ook Paul Groot en Samaya Nissanke (eveneens van de Radboud Universiteit) zijn betrokken bij het astrofysische onderzoek naar zwaartekrachtsgolven. De astronomen hopen in de toekomst met verschillende telescopen, observatoria en ruimtemissies elektromagnetische signalen van samensmeltingen te kunnen waarnemen. De kans daarop is het grootst als een van de compacte objecten een neutronenster is in plaats van een zwart gat.
Speciaal voor deze follow-upmetingen ontwikkelen NOVA en de Radboud Universiteit onder leiding van Paul Groot de BlackGEM-array van optische telescopen. BlackGem gaat samen met LIGO/Virgo meezoeken naar zwaartekrachtsgolven.
Meer weten?
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Gijs Nelemans, Afdeling Sterrenkunde, Radboud Universiteit, e-mail: nelemans@astro.ru.nl, tel: 0645120189
Iris Roggema, Radboud Universiteit, tel: 0627473273
Marieke Baan, Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA), tel: 0614322627
De link naar het artikel: Astrophysical Implications of the Binary Black-Hole Merger GW150914, ApJL, 818, 22L
dx.doi.org/10.3847/2041-8205/818/2/L22
Het Nationaal instituut voor subatomaire fysica (Nikhef) verricht onderzoek op het gebied van deeltjes- en astrodeeltjesfysica. Nikhef is een samenwerkingsverband tussen de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en vijf universiteiten: de Vrije Universiteit Amsterdam, de Radboud Universiteit, de Universiteit van Amsterdam, de Universiteit Utrecht en de Rijksuniversiteit Groningen. FOM maakt deel uit van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).