Visualisering van de waarneming van zwaartekrachtgolven GW190521.
N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno (Max Planck Institute for Gravitational Physics), Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Collaboration

Zwaartekrachtgolven geven een knal: "te zwaar" zwart gat versmelt met ander zwaar zwart gat

De waarneming van zwaartekrachtgolven heeft opnieuw een verrassend resultaat opgeleverd. Op 21 mei 2019 namen de LIGO en Virgo detectoren een 'knal' waar van de versmelting van twee zwarte gaten, die de bron bleek te zijn van de krachtigste zwaartekrachtgolven die tot nu gedetecteerd zijn. De golven hadden de energie van 8 keer de massa van de zon. En ze stellen de astrofysici voor een raadsel: minstens een van de zwarte gaten die met elkaar versmolten zijn, is te zwaar om op de klassieke manier ontstaan te kunnen zijn, en het zwarte gat dat het resultaat is van de versmelting, is het eerste van zijn soort dat ooit is waargenomen.  

Het universum mag dan wel voor het grootste deel leeg lijken, maar het barst van de activiteit in de vorm van zwaartekrachtgolven. Die trillingen worden veroorzaakt door extreme astrofysische fenomenen. Ze golven vervolgens door het heelal en schudden het weefsel van de ruimte-tijd door elkaar, als de galm van een enorme kosmische klok. 

Zwaartekrachtgolven bieden ons een nieuwe manier om naar het heelal te kijken, en sinds ze voor het eerst werden waargenomen in 2015, hebben ze al voor heel wat verrassingen gezorgd. En dat is nu opnieuw gebeurd. 

Onderzoekers hebben nu een signaal opgevangen van wat de samensmelting kan zijn van de zwaarste zwarte gaten die ooit waargenomen werden dankzij zwaartekrachtgolven. Het product van de samensmelting is de eerste duidelijke waarneming van een zwart gat met een 'tussenliggende massa', een massa tussen 100 en 1.000 keer die van de zon, een zogenoemd  'intermediate mass black hole' (IMBH). 

Ze ontdekten het signaal, dat ze GW190521 hebben genoemd, op 21 mei 2019 met het Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), twee identieke 4 kilometer lange interferometers in Livingstone, Louisiana, en Hanford, Washington, in de VS en met de 3 kilometer lange Virgo interferometer in de buurt van Pisa, Italië. Over GW190521 zijn deze week twee studies gepubliceerd. 

Het signaal, dat leek op 4 korte wiebelingen, was extreem kort: minder dan een tiende van een seconde. De onderzoekers vermoeden dat GW190521 veroorzaakt werd door een bron die ruwweg 5 gigaparsecs ver ligt - zo'n 16 miljard lichtjaar -, wat betekent dat de gebeurtenis die ze veroorzaakt heeft, plaatsgevonden heeft toen het universum ongeveer half zo oud was als nu. Dat maakt van de bron van GW190521 een van de verste bronnen van zwaartekrachtgolven die tot hiertoe waargenomen is. 

Het kan overigens vreemd lijken dat iets op 16 miljard lichtjaar van ons kan liggen. Men zou daaruit kunnen afleiden dat het 16 miljard jaar geleden al bestond, terwijl het heelal nog maar 13,75 miljard jaar bestaat. Het heelal zet echter constant uit, zodat de afstanden groter worden. Daardoor heeft alles in het heelal nu een waarnemingshorizon van ongeveer 46,5 gigalichtjaar, 46,5 miljard lichtjaar, wat overeenkomt met zo'n 15 gigaparsec. Maar dit terzijde. 

En wat heeft dit signaal veroorzaakt? De geleerden denken, op basis van berekeningen en modellen van een reeks krachtige en hypermoderne instrumenten, dat GW190521 hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt werd door een binaire samensmelting van zwarte gaten - de samensmelting van twee zwarte gaten - met ongewone eigenschappen. 

Bijna elk bevestigd signaal van zwaartekrachtgolven tot nu was afkomstig van een binaire samensmelting, ofwel tussen twee zwarte gaten of tussen twee neutronensterren. Deze nieuwe samensmelting lijkt de zwaarste tot nu toe te zijn, waarbij de twee zwarte gaten die in een spiraal dichter bij elkaar kwamen en samensmolten, een massa hadden van respectievelijk zo'n 85 en 66 keer die van onze zon. 

Het LIGO-Virgo-team heeft ook de spin gemeten van elk van de twee zwarte gaten en het heeft ontdekt dat de zwarte gaten, terwijl ze steeds dichter om elkaar draaiden, ook rond hun eigen as hebben kunnen draaien, in een hoek die anders was dan de rotatieas van het vlak waarin de zwarte gaten om elkaars gemeenschappelijke zwaartepunt cirkelden.

Het nieuwe signaal dat is opgevangen is waarschijnlijk afkomstig van het ogenblik waarop de twee zwarte gaten met elkaar zijn samengesmolten. Die samensmelting bracht een nog zwaarder zwart gat voort van zo'n 142 zonnemassa's, en ze gaf in een tiende van een seconde een gigantische hoeveelheid energie vrij. Die energie was het equivalent van zo'n 8 zonnemassa's, en ze verspreidde zich door het universum in de vorm van zwaartekrachtgolven.  

De twee zware zwarte gaten die samengesmolten zijn bij GW190521, hebben een nog zwaarder exemplaar voortgebracht, een 'intermediate mass black hole' met een massa van zo'n 142 keer die van onze zon.
LIGO-cooperation

Een hoop vragen en 'te zware' zwarte gaten

Het feit dat de twee betrokken zwarte gaten nooit eerder geziene grote massa's hadden, en het zwarte gat dat het resultaat is van de samensmelting eveneens, roept een boel vragen op over hun ontstaan. 

Alle zwarte gaten die tot nu toe zijn waargenomen vallen in een van twee categorieën: de categorie van de stellaire zwarte gaten, die een massa hebben van enkele keren die van de zon tot tientallen zonnemassa's, en waarvan men aanneemt dat ze gevormd worden als zware sterren sterven, of de categorie van de superzware zwarte gaten, zoals Sagittarius A* in het centrum van onze Melkweg, die massa's hebben van honderdduizenden tot miljarden zonnemassa's. 

Tot nu dus, want de massa van het zwarte gat van 142 zonnemassa's dat geproduceerd werd in de samensmelting van GW190521, ligt tussen die van de stellaire en de superzware zwarte gaten. Het is het eerste zwarte gat van dat type dat ooit waargenomen is. 

Ook de twee zwarte gaten die samengesmolten zijn, lijken met hun massa' van 66 en 85 zonnemassa's uniek te zijn. Ze zijn zo zwaar dat de geleerden vermoeden dat een van hen of misschien wel allebei - het lichtste zwarte gat zit op het randje - mogelijk niet gevormd werd door een instortende ster, zoals dat het geval is voor de meeste stellaire zwarte gaten. 

Volgens de fysica van de evolutie van de sterren, ondersteunt de buitenwaartse druk van de fotonen en het gas in de kern van de ster die kern tegen de inwaartse druk van de zwaartekracht, zodat er een evenwicht is en de ster stabiel is, zoals onze zon nu. Nadat de kern van een zware ster echter zware atoomkernen zoals die van ijzer gevormd heeft door kernfusie, kan de kern niet langer genoeg buitenwaartse druk genereren om de bovenste lagen op hun plaats te houden. Als de buitenwaartse druk minder krachtig is dan de zwaartekracht, stort de ster in onder haar eigen gewicht, in een explosie die een 'core collapse supernova' - een kerninstorting supernova - genoemd wordt en die een zwart gat als resultaat kan hebben. 

Dit proces kan verklaren hoe sterren met een massa tot 130 keer die van de zon, zwarte gaten kunnen produceren die een massa kunnen hebben tot 65 keer die van de zon. Maar niet meer. 

Illustratie van het proces bij een 'pair instability' supernova. Als een ster erg zwaar is, kunnen de fotonen in de gammastraling die geproduceerd wordt in de kern, zo energierijk worden dat een deel van hun energie wordt afgevoerd door de vorming van paren van deeltjes en antideeltjes Daardoor vermindert de uitwaartse druk van de straling en dit maakt dat de ster begint in te storten onder haar enorme zwaartekracht. Na deze gewelddadige instorting veroorzaken losgeslagen thermonucleaire reacties in de kern (hier niet afgebeeld) de ontploffing van de ster, waarbij de overblijfselen in de ruimte geslingerd worden.
NASA/CXC/M.Weiss/Public domain

Bij zwaardere sterren denkt men immers dat er een fenomeen optreedt dat 'pair instability'  - paarinstabiliteit - genoemd wordt. Als de fotonen in de kern extreem energetisch worden, kunnen ze veranderen in een elektron-anti-elektron-paar. De fotonen bieden zoals gezegd tegendruk aan de zwaartekracht, maar de elektronen-anti-elektronen-paren oefenen minder uitwaartse druk uit. Dat maakt dat de ster instabiel wordt, en de explosie die daarop volgt is krachtig genoeg om niets achter te laten, al het materiaal waaruit de ster was opgebouwd, wordt de ruimte ingeblazen. 

Nog zwaardere sterren, zwaarder dan 200 zonnemassa's, kunnen dan weer wel instorten tot zwarte gaten, zwarte gaten met een massa van minstens 120 keer die van de zon. Instortende sterren zouden dus echter niet in staat mogen zijn zwarte gaten te produceren met een massa tussen ongeveer 65 en 120 zonnemassa's, een kloof die bekend staat als de 'pair instability mass gap' - de paar-instabiliteit-massakloof. 

Maar nu hebben we dus het eerste zwarte gat ontdekt dat duidelijk in deze massakloof ligt: het zwaarste van de twee zwarte gaten die het signaal GW190521 veroorzaakt hebben, met een massa van 85 keer die van de zon. 

"Het feit dat we een zwart gat in deze massakloof zien, zal maken dat veel astrofysici zich in het haar krabben en proberen uit te vissen hoe deze zwarte gaten ontstaan zijn", zei Nelson Christensen, onderzoeker bij het CNRS en de directeur van het Artemis laboratorium aan het Observatoire de la Côte d'Azur in Nice. 

Eén mogelijkheid, die de onderzoekers opwerpen in een van de twee studies over GW190521 die deze week verschenen zijn, is die van een 'hierarchische samensmelting', waarin de twee oorspronkelijke zwarte gaten - of toch zeker het zwaarste - zelf gevormd zijn door de samensmelting van twee kleinere zwarte gaten, voor ze naar elkaar toe zijn gekomen en uiteindelijk samengesmolten zijn. 

"Deze gebeurtenis roept meer vragen op dan ze antwoorden geeft", zei Alan Weinstein, onderzoeker bij LIGO en professor fysica aan het California Institute of Technology (Caltech). "Gezien vanuit het perspectief van ontdekkingen en fysica, is het zeer opwindend."

Mogelijk, maar zeker is het niet, vandaar het vraagteken, zijn de zwarte gaten die in GW190521 samengesmolten zijn tot een zwart gat van 142 zonnemassa's, zelf het product van een eerdere samensmelting van kleinere zwarte gaten.
LIGO-cooperation

Iets onverwachts

Er blijven dus nog veel vragen open in verband met GW 190521. 

Terwijl de LIGO en Virgo-detectoren speuren naar zwaartekrachtgolven die door de aarde trekken, kammen geautomatiseerde zoekmachines de binnenlopende gegevens uit naar interessante signalen. Deze zoekmachines kunnen twee verschillende methodes gebruiken: algoritmen die specifieke golfpatronen uit de gegevens halen die geproduceerd kunnen zijn door compacte binaire systemen - twee zwarte gaten of neutronensterren die rond elkaar cirkelen en uiteindelijk versmelten - of meer algemene 'burst searches', waarbij ze zoeken naar alle mogelijke 'uitbarstingen', in essentie uitkijken naar alles dat buiten het gewone valt. 

Salvatore Vitale, een onderzoeker bij LIGO en hoogleraar fysica aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) vergelijkt het gericht zoeken naar compacte binaire systemen met "een kam door de gegevens halen, die zaken zal vangen in een bepaald interval", terwijl de 'burst searches' meer "alles vangen". 

 Opvallend is nu dat in het geval van GW190521, waarvan toch verondersteld wordt dat het een binaire samensmelting was, het signaal iets duidelijker werd opgevangen in een meer algemene 'burst search'. Dat zet de deur op een zeer kleine kier voor de mogelijkheid dat de zwaartekrachtgolven door iets anders veroorzaakt zouden kunnen zijn dan door een binaire samensmelting. 

"De lat om te beweren dat we iets nieuws hebben ontdekt, ligt erg hoog", zei Weinstein. "En dus passen we zoals gewoonlijk Ockhams scheermes toe: de eenvoudigere oplossing is de betere oplossing, en in dit geval is dat een binaire samensmelting." 

"Dit ziet er helemaal niet uit als een 'tsjirpje', wat meestal is wat we ontdekken", zei Christensen, die het nieuwe signaal vergeleek met het eerste signaal dat LIGO opving in 2015. "Dit lijkt meer op iets dat 'bang' doet, en het is het signaal met de grootste massa's dat LIGO en Virgo ooit gezien hebben." 

"LIGO verrast ons opnieuw, niet enkel door zwarte gaten te ontdekken in groottes die moeilijk te verklaren zijn, maar ook door dat te doen met technieken die niet ontworpen waren voor stellaire samensmeltingen", zei Pedro Marronetti, de programmadirecteur voor zwaartekrachtfysica van de Amerikaanse National Science Foundation. "Dit is enorm belangrijk omdat het duidelijk laat zien dat het instrument ook signalen kan opsporen van volledig onverwachte astrofysische gebeurtenissen. LIGO toont aan dat het ook het onverwachte kan waarnemen."  

Luchtfoto van een deel van de LIGO interferometer in Hanford in de staat Washington, een van de twee identieke 4 km lange detectoren.
Ligo Laboratory/Public domain

Iets nieuws, maar wat dan?

Maar wat als het toch iets volledig nieuws is dat deze zwaartekrachtgolven veroorzaakt heeft?

Het is een fascinerend vooruitzicht en in hun studie over de astrofysische implicaties van de ontdekking overwegen de onderzoekers ook even andere bronnen in het universum die het signaal zouden kunnen veroorzaakt hebben. De zwaartekrachtgolven zouden bijvoorbeeld voortgebracht kunnen zijn door een ineenstortende ster in ons sterrenstelsel, de Melkweg. 

Het signaal zou ook afkomstig kunnen zijn van een kosmische snaar, een hypothetische, eendimensionele topologische storing die zou opgetreden zijn tijdens de kosmische inflatie, de exponentiële uitzetting van het universum net na de oerknal. 

"Sinds we LIGO voor het eerst opgestart hebben, is alles wat we met vertrouwen geobserveerd hebben, een botsing van zwarte gaten of neutronensterren geweest", zei Weinstein. "Dit is de ene gebeurtenis waar onze analyse de mogelijkheid toelaat dat het niet om zo'n botsing zou gaan. Hoewel de waarneming consistent is met een uitzonderlijk zware binaire samensmelting van zwarte gaten en de alternatieve verklaringen minder goed passen, zoekt deze waarneming de grenzen op van ons vertrouwen. En dat maakt het mogelijk enorm opwindend. Want we waren allemaal aan het hopen op iets nieuws, iets onverwachts, dat een uitdaging zou vormen voor wat we al geleerd hadden. WG190521 heeft daar het potentieel voor."  

Een waarneming door LIGO van zwaartekrachtgolven (niet GW190521).
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

55 waarnemingen tussen april 2019 en maart 2020

GW190521 is een van drie recente waarnemingen van zwaartekrachtgolven die een uitdaging vormen voor onze huidige kennis van zwarte gaten.

De andere twee zijn een samensmelting tussen een zwart gat en een mysterieus object dat het kleinste zwarte gat of de grootste neutronenster die we kennen zou kunnen zijn, en de samensmelting van twee zwarte gaten met sterk verschillende massa's. 

Naast deze drie samensmeltingen van zwarte gaten en een eerder gemelde binaire samensmelting van neutronensterren, heeft de observatiereeks met de LIGO en Virgo detectoren van april 2019 tot en met maart 2020 nog 52 andere potentiële waarnemingen van zwaartekrachtgolven opgeleverd. 

Die worden gepost op een publiek verwittigingssysteem dat medewerkers van de LIGO and Virgo Collaboration hebben opgezet, zodat andere wetenschappers en geïnteresseerde leden van het publiek de signalen kunnen evalueren. 

"Zwaartekrachtgolven worden regelmatig gedetecteerd", zei Peter Shawhan, een onderzoeker en coördinator bij de LIGO Scientific Collaboration en professor fysica aan de University of Maryland. "Sommige van die gebeurtenissen blijken opmerkelijke eigenschappen te hebben, die zorgen voor een uitbreiding van wat we kunnen leren over astrofysica." 

De studie met details over de ontdekking, waaraan ook onderzoekers van de Université de Liège, de Université catholique de Louvain en de Université Libre de Bruxelles hebben meegewerkt, is eerder deze week verschenen in Physical Review Letters. De studie over de fysische eigenschappen en de astrofysische implicaties van het signaal, eveneens met medewerking van onderzoekers van de drie eerder vermelde universiteiten, is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters. Dit artikel is gebasserd op persberichten van MIT/LIGO Scientific Collaboration en de University of Maryland. 

Een video met uitleg over de ontdekking

Video player inladen...

Een simulatie van de samensmelting

Luchtfoto van (een deel van) de Virgo detector in de buurt van Pisa.
The Virgo Collaboration/Public domain

Meest gelezen