Een voorstelling van twee zwarte gaten die rond elkaar draaien en op het punt staan te botsen en te versmelten. Caltech

Zwaartekrachtgolven van grootste botsing zwarte gaten tot nu toe ontdekt

Een internationaal team van onderzoekers heeft zwaartekrachtgolven gemeten van de grootste botsing van twee zwarte gaten ooit. De zwarte gaten smolten samen tot een zwart gat dat zo'n 80 keer de massa heeft van onze zon. Daarnaast werden ook nog zwaartekrachtgolven van drie andere samensmeltingen van zwarte gaten ontdekt. Dat brengt het totaal nu op elf, tien waarnemingen van botsende zwarte gaten en een van twee neutronensterren. Door de nieuwe waarnemingen hebben de onderzoekers de gevoeligheid van hun detectoren kunnen verhogen. 

De zwaartekrachtgolven die we nu kunnen waarnemen, zijn rimpels in de ruimtetijd die veroorzaakt worden door gebeurtenissen waar een hevige invloed van de zwaartekracht mee gemoeid is, zoals de botsingen van zwarte gaten, die een grote massa hebben, of van neutronensterren, de sterren met de grootste dichtheid in het heelal. 

Het team ontdekte de vier botsingen door de data van de eerste twee observatiereeksen van het Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) opnieuw te analyseren, zo zei professor Susan Scott in een persmededeling van de Australian National University (ANU).

Scott is het hoofd van de General Relativity Theory and Data Analysis Group aan de ANU. De geleerden ontdekten de gebeurtenis die het grootste bekende zwart gat vormde uit een samensmelting van een binair systeem van twee zwarte gaten, op 29 juli 2017.

De gebeurtenis vond plaats op zo'n 9 miljard lichtjaar van de aarde, en heeft niet alleen het zwaarste ons bekend zwart gat uit een samensmelting opgeleverd, maar ook twee andere records. "Bij deze gebeurtenis draaiden de zwarte gaten ook het snelst rond elkaar van alle samensmeltingen die we al geobserveerd hebben, en het is ook veruit de verst verwijderde samensmelting die ooit geobserveerd is", zei Susan Scott.     

Een grafiek met de recent ontdekte zwaartekrachtgolven, en de massa's van de samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren, en de massa's van de zwarte gaten en de neutronenster (?) die er het gevolg van waren, in zonnemassa's. LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern

Drie andere botsingen

De drie andere botsingen tussen zwarte gaten werden opgemerkt tussen 9 en 23 augustus 2017. Ze vonden plaats op een afstand tussen 3 en 6 miljard lichtjaar, en de zwarte gaten die het resultaat waren van de samensmelting tussen de twee botsende zwarte gaten, variëerden van 56 tot 66 keer de massa van onze zon.

"Deze zwaartekrachtgolven waren afkomstig van vier verschillende binaire systemen van zwarte gaten die op elkaar botstsen, en sterke zwaartekrachtgolven uitstraalden in de ruimte", zei professor Scott in de persmededeling.

"Deze waarneming van botsingen tussen zwarte gaten zal onze kennis aanzienlijk verbeteren over hoeveel dubbelsystemen van zwarte gaten er zijn in het universum, en ook over de spreiding van hun massa's, en over hoe snel de zwarte gaten ronddraaien tijdens een samensmelting."

Een luchtfoto van een van de LIGO's in de VS, die in het Hanford-reservaat in de staat Washington (Foto: LIGO Laboratory).

Naar het begin van de tijd

De onderzoekers zijn van plan om de detectoren van zwaartekrachtgolven doorlopend te verbeteren, zodat ze cataclysmische gebeurtenissen veel verder in de ruimte kunnen waarnemen. Op die manier hopen ze op een dag terug te kunnen gaan tot het begin van de tijd, net na de oerknal, iets wat met licht niet mogelijk is. 

Nadat de eerste observatiereeksen afgelopen waren, voerden de geleerden een rekalibratie uit en schoonden ze de verzamelde data op. "Dit vergroot de gevoeligheid van het netwerk van detectoren, en laat toe dat onze zoektocht meer bronnen zal opsporen", zei Scott. "Daarnaast hebben we ook verbeterde modellen van de verwachte signalen ingevoerd in onze zoekbewerking."

Sinds de tweede observatiereeks in augustus 2017 beëindigd werd, hebben de onderzoekers de LIGO- en Virgo-detectoren voor zwaartekrachtgolven een upgrade gegeven om hen gevoeliger te maken. 

"Dat betekent dat tijdens de komende derde observatiereeks, die begin volgend jaar start, we in staat zullen zijn om gebeurtenissen verder weg in de ruimte te detecteren. En dat betekent meer waarnemingen, en mogelijk zwaartekrachtgolven die afkomstig zijn van nieuwe en tot nu toe onbekende bronnen in het universum", zei professor Scott. 

(lees voort onder de video)

Video player inladen ...

Een video van de SXS Collaboration met computermodellen van de zwaartekrachtgolven die Ligo tot nu heeft geobserveerd, en de zwarte gaten die verantwoordelijk waren voor de golven. Het beeld toont de waarnemingshorizons van de zwarte gaten boven de overeenkomstige zwaartekrachtgolf. 

Wat ontstaat er bij een botsing van neutronensterren?

Het internationaal onderzoeksteam heeft zwaartekrachtgolven ontdekt van tien verschillende samensmeltingen van zwarte gaten, en van een botsing tussen twee neutronensterren in de laatste drie jaar. Neutronensterren zijn de sterren met de grootste dichtheid van alle sterren in het universum, met een diameter tot zo'n 20 kilometer.

De onderzoeksgroep van professor Scott is een nieuw project aan het ontwerpen, dat hen moet toelaten zwaartekrachtgolven te ontdekken die afkomstig zijn van een kortlevende neutronster, die het gevolg is van de samensmelting van twee neutronensterren. 

Doctor Karl Wette, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Scott aan de ANU, zei dat de onderzoekers er niet zeker van waren wat er gevormd is bij de samensmelting van neutronensterren die in augustus 2017 waargenomen werd. 

"Het zou een neutronenster kunnen geweest zijn die ineengeklapt is tot een zwart gat na een tijdje, of die onmiddellijk in een zwart gat veranderd is", zo zei hij. "Ons nieuw project zal helpen om cruciale informatie te verschaffen over wat we verkrijgen uit de samenstmelting van twee neutronensterren."

De Australian National University speelt een belangrijke rol bij de zoektocht naar zwaartekrachtgolven door een partnerschap met LIGO in de VS. Professor Susan Scott is de belangrijkste onderzoeker van het Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), en ze zal de nieuwe resultaten voorstellen aan het Australian Institute of Physics Congress in Perth later deze maand. 

De resultaten zullen gepubliceerd worden in "Physical Review X".