Voorstelling van een groot zwart gat en een kleiner die rond elkaar cirkelen en uiteindelijk zullen samensmelten.
MIT News

Samensmelting erg ongelijke zwarte gaten: aparte ontstaansgeschiedenis en 'boventonen' geven Einstein opnieuw gelijk

Sinds zwaartekrachtgolven in 2015 voor het eerst werden waargenomen, zijn er minstens nog een tiental bevestigde bronnen van de golven geïdentificeerd. Het grootste deel daarvan bleken samensmeltingen te zijn van zwarte gaten met vergelijkbare massa's. Verleden jaar werden er echter voor het eerst zwaartekrachtgolven opgevangen van de samensmelting van een groot zwart gat en een kleintje. Het fenomeen bevestigde nog maar eens een voorspelling van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, en twee studies proberen nu een verklaring te geven voor het vreemde, ongelijke paar zwarte gaten. De samensmelting zou een 'hiërarchische samensmelting' zijn, waarbij het grote zwarte gat het resultaat is van een eerdere samensmelting of zelfs twee. 

De modellen voor het ontstaan van binaire zwarte gaten - een paar van zwarte gaten - hebben een sterke voorkeur voor paren met massa's die ongeveer gelijk zijn aan elkaar, ongeacht of die paren het resultaat zijn van de evolutie van geïsoleerde binaire sterren - twee zware sterren die rond elkaar draaien en die beide instorten tot een zwart gat - of van de dynamische paarvorming van twee zwarte gaten - twee apart gevormde zwarte gaten die in elkaars zwaartekrachtveld worden gevangen en rond elkaar gaan cirkelen. 

Verleden jaar vingen de detectoren voor zwaartekrachtgolven, de twee LIGO-interferometers in de VS en de Virgo in Italië, voor het eerst een signaal op van de samensmelting van twee zeer ongelijke zwarte gaten, waarvan het ene met een massa van 30 keer die van onze zon, meer dan 3,5 keer zwaarder was dan het andere dat een massa had van slechts 8 keer die van onze zon. 

Het signaal werd opgevangen op 12 april 2019 en het werd dan ook GW190412 genoemd. De vraag was nu hoe die zwarte gaten gevormd waren.

Eerder werden er twee studies gepubliceerd over een ander signaal, GW190521, dat veroorzaakt werd door de samensmelting van de twee zwaarste zwarte gaten die tot nu toe is waargenomen, en daarin werd geopperd dat minstens één van die zwarte gaten, het zwaarste, het resultaat zou kunnen zijn van een eerdere samensmelting van twee kleinere zwarte gaten. 

En nu zijn er twee studies die stellen dat hetzelfde ook gebeurd kan zijn bij GW190412. Volgens de ene studie is het zwaarste zwarte gat van het paar het resultaat van één eerdere samensmelting van kleinere zwarte gaten, volgens de andere zelfs van twee eerdere samensmeltingen.  

De signalen van GW190412 van de LIGO-interferometers in Hanford en Livingston en van Virgo in Italië.
LIGO-Virgo Cooperation

David en Goliath

De eerste studie in Physical Review Letters is het werk van Salvatore Vitale, hoogleraar fysica aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en onderzoeker bij LIGO, Davide Gerosa, hoogleraar aan het Institute for Gravitational Wave Astronomy van de Britse University of Birmingham, en Emanuele Berti, professor aan het Department of Physics and Astronomy van de Johns Hopkins University in Baltimore. 

De studie stelt dat de versmelting van de David en Goliath onder de zwarte gaten ontstaan kan zijn door een proces dat erg verschilt van het proces waardoor, naar men aanneemt, de  meeste binaire samensmeltingen gevormd worden. 

Het is waarschijnlijk dat het zwaarste van de twee zwarte gaten zelf het product was van een eerdere samensmelting van een 'ouderpaar' van zwarte gaten. De Goliath die uit die eerste samensmelting geslingerd werd, kan dan rondgebotst hebben in een nucleaire sterrenhoop vooraleer hij samensmolt met het tweede, kleinere zwarte gat, de gebeurtenis die de zwaartekrachtgolven van GW190412 de ruimte ingestuurd heeft. 

Nucleaire sterrenhopen (nuclear star cluster, NSC) komen voor in de kern, de nucleus, van sterrenstelsels en ze bevatten erg veel sterren. Het zijn de dichtste sterrenhopen in het universum die we kennen. 

GW190412 kan dan een samensmelting van de tweede generatie geweest zijn, een zogenoemde 'hierarchische samensmelting'. 

"Deze gebeurtenis is een rare snuiter die het universum in onze schoot heeft geworpen - het was iets dat we niet verwacht hadden", zei Salvatore Vitale. "Maar niets gebeurt maar één keer in het universum. En iets zoals dit, hoewel het zeldzaam is, zullen we nog zien en dan zullen we in staat zijn meer te zeggen over het universum."  

Een nucleaire sterrenhoop in de Melkweg, ons sterrenstelsel.
Stefan Gillessen, Reinhard Genzel, Frank Eisenhauer/ESO

Moeilijk te verklaren

Men denkt dat er in essentie twee manieren zijn waarop samensmeltingen van zwarte gaten tot stand kunnen komen. De eerste staat bekend als het proces van de gemeenschappelijke omhulling, waarbij twee naburige sterren, na miljarden jaren, ontploffen en twee naburige zwarte gaten vormen die uiteindelijk een gemeenschappelijke omhulling (common envelope) delen, een schijf van gas. Na nog enkele miljarden jaren komen de zwarte gaten in een spiraal steeds dichter bij elkaar en versmelten ze. 

"Je kunt dit bekijken als een koppel mensen die hun hele leven bij elkaar  zijn geweest", zei Vitale. "We denken dat dit proces zich afspeelt in de schijf van sterrenstelsels zoals het onze."

De andere manier waarop samensmeltingen van zwarte gaten kunnen gebeuren, is via dynamische interacties. Stel je in plaats van een monogame omgeving een galactische 'rave' voor, waar duizenden zwarte gaten dicht op elkaar zitten in een klein, dicht deel van het universum. Als twee zwarte gaten een partnerschap beginnen te vormen, kan een derde zwart gat het koppel uit elkaar slaan in een dynamische interactie die zich vele malen kan herhalen voor een paar zwarte gaten uiteindelijk samensmelt. 

Zowel bij het proces van de gemeenschappelijke omhulling als bij het scenario van de dynamische interacties zouden de samensmeltende zwarte gaten ruwweg dezelfde massa moeten hebben, en dus niet de ongelijke massaverdeling van GW190412. Ze zouden ook zo goed als geen spin moeten hebben, terwijl GW190412 een verrassend hoge spin heeft.

"De kern van de zaak is dat deze beide scenario's, die men traditioneel als de ideale kraamkamers ziet voor binaire zwarte gaten in het universum, het moeilijk hebben om de verhouding van de massa's en de spin van deze gebeurtenis te verklaren", zei Vitale.  

Voorstelling van een zwaar en een licht zwart gat die om elkaar cirkelen.
LIGO

Hiërarchische samensmelting

In hun studie gebruikten de onderzoekers twee modellen om aan te tonen dat het erg onwaarschijnlijk is dat GW190412 het gevolg is van het proces van een gemeenschappelijke omhulling of van een dynamische interactie. 

Eerst maakten ze een model van de evolutie van een doorsnee sterrenstelsel met STAR TRACK, een simulatie die sterrenstelsels kan volgen gedurende miljarden jaren, beginnend met het samenklonteren van gas, om vervolgens over te gaan tot de manier waarop sterren gevormd worden en ontploffen, en instorten tot zwarte gaten die uiteindelijk samensmelten. Het tweede model simuleert willekeurige dynamische ontmoetingen in bolvormige sterrenhopen - dichte concentraties van sterren rond de meeste sterrenstelsels. 

Het team voerde de beide simulaties verschillende keren uit, terwijl het de parameters aanpaste, en bestudeerde de eigenschappen van de samensmeltingen van zwarte gaten die opdoken. Bij de samensmeltingen die gevormd werden door het proces van een gemeenschappelijke omhulling, was een samensmelting zoals GW190412 zeer uitzonderlijk. Ze dook pas op na enkele miljoenen andere samensmeltingen. Bij de dynamische interacties was het iets waarschijnlijker dat zo'n gebeurtenis plaatsvond, na een paar duizend samensmeltingen. 

GW190412 werd echter door LIGO en Virgo waargenomen na slechts 50 andere waarnemingen, wat doet veronderstellen dat het waarschijnlijk het gevolg is van een ander proces. "Wat we ook doen, we kunnen deze gebeurtenis niet makkelijk produceren via deze gewone kanalen", zei Vitale. 

Het proces van een hiërarchische samensmelting kan een betere verklaring bieden voor de ongelijke massa's en de hoge spin van GW190412. Als een zwart gat het product was van een eerdere samensmelting van twee zwarte gaten met een gelijkaardige massa, zou het zelf zwaarder zijn dan elk van die beide 'ouders', en later aanzienlijk groter zijn dan zijn partner van de eerste generatie. En dat zou in de laatste samensmelting de ongelijke verhouding tussen de massa's van de zwarte gaten geven. 

Een hiërarchisch proces zou ook een samensmelting met een hogere spin produceren. Het ouderpaar van zwarte gaten zou in hun chaotische samensmelting het resulterende zwarte gat meer spin geven, en dat zou die spin meenemen in zijn eigen laatste samensmelting. 

"Als je het uitrekent blijkt dat het overblijvende zwarte gat een spin zou hebben die zeer dicht ligt bij de totale spin van deze samensmelting", zei hoogleraar Vitale. 

Het 'noordelijke been' van de LIGO-interferometer in Hanford in de VS-staat Washington.
Umptanum/Wikimedia Commons/Public domain

Niet ontsnappen

Als GW190412 inderdaad het gevolg is van een hiërarchische samensmelting, kan de gebeurtenis volgens Vitale ook inzicht geven in de omgeving waarin ze gebeurd is. Het team stelde vast dat als het zwaarste van de twee zwarte gaten gevormd was in een eerdere botsing, die botsing waarschijnlijk een enorme hoeveelheid energie produceerde die niet alleen een nieuw zwart gat opleverde, maar die dat zwarte gat ook over een flinke afstand 'weggeschopt' zou hebben. 

"Als het te hard geschopt wordt, zou het zwarte gat de sterrenhoop verlaten en in het lege interstellaire medium terechtkomen. Het zou dan niet in staat zijn om opnieuw samen te smelten", zei Vitale.

Als het object wel in staat was om opnieuw samen te smelten, en in dit geval GW190412 te produceren, zou dat betekenen dat de schop die het gekregen heeft niet hard genoeg was om te ontsnappen aan de sterrenhoop waarin het gevormd is. Het team berekende dat, als GW190412 inderdaad het product is van een hiërarchische samensmelting, die gebeurd moet zijn in een omgeving met een ontsnappingssnelheid van meer dan 150 kilometer per seconde. Ter vergelijking, de ontsnappingssnelheid van de meeste sterrenhopen bedraagt zo'n 50 kilometer per seconde (180.000 kilometer per uur).

Dat betekent dat de omgeving waaruit GW190412 afkomstig is, een enorm zwaartekrachtveld moet gehad hebben. Het team denkt dat een dergelijke omgeving ofwel de schijf van gas rond een superzwaar zwart gat kan geweest zijn, ofwel een nucleaire sterrencluster, een ongelooflijk dicht gebied in het universum, dat vol zit met tientallen miljoenen sterren.

"Deze samensmelting moet afkomstig zijn van een ongewone plaats", zei Vitale. "Terwijl LIGO en Virgo nieuwe waarnemingen blijven doen, kunnen we deze ontdekkingen gebruiken om nieuwe dingen te leren over het universum." 

Het gebied aan de hemel waar de zwaartekrachtgolven van GW190412 vandaan kwamen.
LIGO-Virgo Cooperation

Twee eerdere samensmeltingen

De tweede studie werd uitgevoerd door een internationaal team van Amerikaanse, Indiase en Franse onderzoekers onder leiding van astronoom Carl Rodriguez van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en is gepubliceerd in The Astrophysical Journal

Het team voerde een theoretisch onderzoek uit naar hoe een dergelijk binair stelsel met een ongelijke massa zou gevormd kunnen zijn. 

De meest voor de hand liggende oplossing is te zoeken in een dichte sterrenhoop waar paren van zwarte gaten met een vergelijkbare massa en een lage spin, van nature kunnen gevormd worden, deels omdat zware zwarte gaten en sterren de neiging hebben naar het centrum van de cluster, de hoop, te zinken en daar meer kans maken om elkaar tegen te komen. Maar zelfs daar is het onwaarschijnlijk dat dergelijke ontmoetingen een paar zouden voortbrengen met een erg ongelijke massa, zo zeggen de onderzoekers. 

De spin van elk zwart gat zorgt nog voor een bijkomende moeilijkheid. De spin wordt uitgedrukt met een getal tussen 0 en 1. Als de beide zwarte gaten in een samensmelting een lage waarde hebben voor de spin, zoals men kan verwachten, zal hun samensmelting normaal gezien een zwaarder zwart gat voortbrengen met een hoge waarde, misschien rond 0,7. Maar de spin die men met een grote zekerheid heeft kunnen bepalen voor het zware zwarte gat in GW190412 ligt rond 0,43, wat doet veronderstellen dat het zwarte gat niet afkomstig is van zo'n eenvoudige samensmelting. 

De onderzoekers stellen dat de meest waarschijnlijke manier om dit ongewone paar met het grote verschil in massa voort te brengen, kan zijn door twee eerdere samensmeltingen van paren zwarte gaten in de sterrenhoop, een proces dat uiteindelijk kan resulteren in een zwart gat met de juiste spin. 

Eerst smelten twee paren van zwarte gaten elk samen, elk van deze paren bevat zwarte gaten met een vergelijkbare, middelmatige massa, en elk paar brengt een zwaarder zwart gat voort. Vervolgens vormen die twee nieuwe zwarte gaten een binair paar en smelten ze samen, waardoor ze het zwarte gat produceren van zo'n 30 zonnemassa's met een middelmatige spin, dat het zwaarste zwarte gat is dat bij GW190412 betrokken was. Vervolgens vormt dat zwarte gaat een paar met een zwart gat met een kleine massa om het binaire stelsel te vormen waarvan de samensmelting GW90412 heeft voortgebracht. Ook andere varianten met verschillende stappen zijn mogelijk, zeggen de onderzoekers. 

Hoewel een dergelijke opeenvolging van gebeurtenissen zeldzaam is, tonen de onderzoekers aan dat bekende sterrenhopen de juiste omgeving zouden kunnen leveren waarin die opeenvolging kan plaatsvinden. 

De nieuwe resultaten en analyses hebben, zoals eerder ontdekkingen in verband met zwaartekrachtgolven, ons beeld van de kosmische verscheidenheid uitgebreid, en stellen vragen bij fundamentele hypotheses in de astrofysica, zo zeggen de onderzoekers. Een van die aannames is dat zwarte gaten doorgaans gevormd worden door de instorting van sterren met een lage spin. Verder onderzoek zal moeten uitwijzen of dit proces van een samensmelting in drie stappen nodig is om gebeurtenissen als GW190412 te verklaren, of dat hypotheses zoals die over de lage spin in vraag moeten gesteld worden. 

Een voorstelling van verschillende manieren met twee eerdere stappen om te komen tot een samensmelting van een zwaar zwart gat van zo'n 30 zonnemassa's met een veel lichter zwart gat van zo'n 8 zonnemassa's.
Rodriguez et al., 2020

Algemene relativiteitstheorie opnieuw bevestigd

De waarneming van GW190412 heeft onderzoekers ook toegelaten een voorspelling van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein te testen. 

Op basis van het werk van Einstein en anderen kon aangetoond worden dat de zwaartekrachtstraling van binaire stelsels overwegend quadrupolair was, geconcentreerd rond vier kernen. 

Die quadrupolaire zwaartekrachtgolven kunnen vergeleken worden met de belangrijkste klank die men hoort als men een snaar op een gitaar aanslaat. 

De relativiteitstheorie voorspelt echter dat de straling ook zou moeten weerklinken in hogere harmonische tonen, boventonen, en dat dit meer het geval zou zijn bij binaire stelsels die meer van elkaar verschillen. En dat is precies wat men heeft vastgesteld bij GW190412: voor het eerst hebben de onderzoekers die subtiele boventonen met een grote zekerheid kunnen aantonen in het signaal. 

"Wat we bedoelen als we boventonen zeggen, is iets als het verschil tussen een muzikaal duet waarbij de muzikanten hetzelfde instrument bespelen en een duet waarbij ze op verschillende instrumenten spelen", zei Alessandra Buonanno, die met haar groep van de LIGO Scientific Collaboration (LSC) de modellen heeft ontwikkeld om de boventonen waar te nemen. "Hoe meer substructuur en complexiteit het binaire stelsel heeft - als bijvoorbeeld de massa's of de spin van de zwarte gaten verschillend zijn - hoe rijker het spectrum is van de zwaartekrachtgolven die uitgestraald worden." Buonanno is professor aan de University of Maryland, onderzoeker bij LSC en een van de directeurs van het Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
(Albert-Einstein-Institut) in Potsdam. 

Dit artikel is gebaseerd op persberichten van MIT, de University of Maryland, het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en de LIGO Scientific Collaboration. 

Een video van het Albert-Einstein-Institut met een simulatie van de samensmelting

Meest gelezen