Rimpelingen in de ruimtetijd onthullen de meest massale en meest verre botsing met zwarte gaten tot nu toe
Twee zwarte gaten cirkelden om elkaar heen en zonden rimpelingen van zwaartekrachtsgolven uit (geïllustreerd in blauw en roze in deze computersimulatie) voordat ze samenvloeiden om het eerste definitieve voorbeeld te vormen van een middelgroot zwart gat.
De grootste. Het verste. De meest energieke. Een nieuwe detectie van zwaartekrachtsgolven van twee botsende zwarte gaten heeft meerdere superlatieven opgeleverd.
Bovendien markeert het ook de eerste definitieve waarneming van een zwart gat met een gemiddelde massa, een met een massa tussen 100 en 100.000 keer de massa van de zon. Dat middelgrote zwarte gat werd gesmeed toen de twee zwarte gaten van de voorlopers samensmolten tot een groter gat met ongeveer 142 zonsmassa’s. Het weegt aanzienlijk zwaarder dan alle zwarte gaten die eerder zijn gedetecteerd via zwaartekrachtgolven, rimpelingen die de ruimtetijd doen rimpelen in de nasleep van extreme gebeurtenissen.
“Dit is de grote kerel waar we het langst op hebben gewacht”, zegt Emanuele Berti, een natuurkundige aan de Johns Hopkins University die niet bij het onderzoek betrokken was. Een van de twee voorlopers van de kolos was zelf zo groot dat wetenschappers zich afvragen hoe ze het bestaan ​​ervan kunnen verklaren.
Gedetecteerd op 21 mei 2019, waren de zwaartekrachtgolven afkomstig van een bron op ongeveer 17 miljard lichtjaar van de aarde, waardoor dit de meest verre detectie tot dusver bevestigd. Het is ook de meest energetische gebeurtenis die tot nu toe is gezien en straalt ongeveer acht keer het equivalent van de massa van de zon in energie uit, zegt astrofysicus Karan Jani van de Vanderbilt University in Nashville, een lid van de LIGO Scientific Collaboration. “Ik hoop dat het zijn eigen vermelding in het recordboek verdient.”
De nieuwe gebeurtenis onttronen de vorige recordhouder, een botsing die op ongeveer 9 miljard lichtjaar afstand plaatsvond en die ongeveer vijf zonsmassa’s aan energie uitstraalde, en een zwart gat van 80 zonsmassa’s creëerde (SN: 04/12/18).
Onderzoekers met LIGO, of de Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, in de Verenigde Staten en Advanced Virgo in Italië rapporteerden de nieuwe detectie op 2 september in twee papers in Fysieke beoordelingsbrieven en de Astrophysical Journal Letters.
Terwijl wetenschappers weten van zwarte gaten met tientallen zonsmassa’s en andere met miljoenen of miljarden zonsmassa’s, is het tussenliggende echelon ongrijpbaar gebleven. Eerdere vermeende waarnemingen van zwarte gaten van gemiddelde massa zijn in twijfel getrokken (SN:22-01-16).
Maar voor de nieuwe gebeurtenis “lijdt het geen twijfel”, zegt astrofysicus Cole Miller van de Universiteit van Maryland in College Park, die niet betrokken was bij het onderzoek. “Dit toont aan dat er nu ten minste één middenmassa zwart gat in het universum is.”
De twee voorlopers van het zwarte gat waren zelf zwaarder dan ooit tevoren – met ongeveer 85 en 66 keer de massa van de zon. Dat heeft wetenschappers puzzelen over hoe deze smashup tot stand kwam.
Het een tandje hoger zetten
Op 21 mei 2019 ontdekten de observatoria voor zwaartekrachtgolven van LIGO en Virgo twee samensmeltende zwarte gaten. Het duo combineerde om een ​​nieuw zwart gat te creëren dat veel groter was dan die gevonden in eerdere fusies. Hier vertegenwoordigen gekleurde cirkels de relatieve afmetingen van zwarte gaten, terwijl blauwere kleuren grotere zwarte gaten vertegenwoordigen.
Nieuwe massa’s van zwarte gaten vergeleken met eerdere fusies
Normaal gesproken verwachten natuurkundigen dat de zwarte gaten die bij deze versmeltingen betrokken zijn, elk gevormd zouden zijn bij de ineenstorting van een stervende ster. Maar in het nieuwe evenement is de grootste van het paar zo groot dat het zich niet op die manier had kunnen vormen. De bekende processen die plaatsvinden in de kern van een ster, betekenen dat sterren die de juiste massa hebben om zo’n groot zwart gat te vormen, zichzelf volledig uit elkaar blazen in plaats van een lijk achter te laten.
In plaats daarvan kan het zijn dat een of beide van de botsende zwarte gaten zijn ontstaan ​​uit een eerdere ronde van samensmelting van zwarte gaten, in een overvolle cluster van sterren en zwarte gaten (SN: 30-01-17). Dat zou zorgen voor een stamboom die begon met zwarte gaten die licht genoeg waren om gevormd te worden door instortende sterren.
Maar er is een probleem met de uitleg van meervoudige fusies. Elke keer dat zwarte gaten samenkomen, geeft die coalescentie een kick aan hun snelheid, die normaal gesproken het resulterende zwarte gat uit de cluster zou lanceren, waardoor verdere fusies worden voorkomen.
Echter, fusies zo groot als de nieuwe gebeurtenis lijken zeer zeldzaam te zijn, aangezien LIGO en Virgo er maar één hebben ontdekt. Dat betekent, zegt Miller, “mijn god, je mag een tandenfee aanroepen”, een relatief onwaarschijnlijk proces. Misschien, zegt hij, is de kick soms klein genoeg om de zwarte gaten binnen hun cluster te laten blijven en weer samen te voegen.
De zwaartekrachtgolfgebeurtenis van 21 mei was eerder publiekelijk gemeld als een onbevestigde kandidaat, om astronomen in staat te stellen te zoeken naar lichtflitsen in de lucht die mogelijk het gevolg waren van de botsing. Sommige onderzoekers hadden gesuggereerd dat de golven mogelijk in verband zijn gebracht met een lichtflits vanuit het centrum van een ver sterrenstelsel (SN: 25/06/20). Maar dat sterrenstelsel is aanzienlijk dichterbij dan de afstand die nu in de nieuwe documenten wordt aangegeven, op ongeveer 8 miljard lichtjaar van de aarde in plaats van 17 miljard, waardoor de verklaring minder aannemelijk is.
Hoe langer LIGO en Virgo de hemel observeren, hoe meer de overvloed aan ongebruikelijke gebeurtenissen naar verwachting zal toenemen, zegt Miller. “We zullen een reeks ‘goh, had dat niet verwacht’ soort gebeurtenissen hebben, die opwindend zijn om over na te denken en buitengewoon informatief over het universum.”
