Eindelijk is er een ongrijpbare bron van rimpelingen in de ruimtetijd gevonden
Een zwart gat (geïllustreerd in zwart) en een neutronenster (wit) spiralen naar binnen voordat ze samensmelten, en produceren rimpelingen in de ruimtetijd (donkergrijs).
Gevangen in een fatale binnenwaartse spiraal, kwam een ​​neutronenster aan zijn einde toen een zwart gat hem in zijn geheel opslokte. De zwaartekrachtrimpelingen van die botsing verspreidden zich naar buiten door de kosmos en bereikten uiteindelijk de aarde. De detectie van die golven markeert de eerste gerapporteerde waarneming van een zwart gat dat het dichte overblijfsel van een dode ster overspoelt. En in een verrassende wending zagen wetenschappers een tweede dergelijke fusie slechts enkele dagen na de eerste.
Tot nu toe waren alle geïdentificeerde bronnen van zwaartekrachtsgolven twee van een soort: ofwel twee zwarte gaten of twee neutronensterren, die om elkaar heen draaien voordat ze botsen en samensmelten (SN: 1/21/21). De gewelddadige kosmische botsingen creëren golven die het weefsel van de ruimtetijd uitrekken en samendrukken, golvingen die door gevoelige detectoren kunnen worden opgespoord.
De niet-overeenkomende koppeling van een zwart gat en een neutronenster was het laatste type fusie dat wetenschappers verwachtten te vinden met de huidige observatoria voor zwaartekrachtgolven. Door puur toeval, onderzoekers twee van deze evenementen gespot binnen 10 dagen na elkaar, rapporteren de LIGO, Virgo en KAGRA samenwerkingen in de 1 juli Astrofysische journaalbrieven.
Niet alleen zijn unies tussen zwarte gaten en neutronensterren nog niet eerder gezien via zwaartekrachtsgolven, de smashups zijn ook nooit op een andere manier waargenomen.
“Dit is een absolute eerste blik”, zegt theoretisch natuurkundige Susan Scott van de Australian National University in Canberra, een lid van de LIGO-samenwerking.
Het resultaat voegt een nieuw vinkje toe aan de telling van nieuwe ontdekkingen die zijn gedaan met zwaartekrachtgolven. “Dat is een feestje waard”, zegt astrofysicus Cole Miller van de University of Maryland in College Park, die niet bij het onderzoek betrokken was. Sinds de eerste zwaartekrachtsgolven werden gedetecteerd in 2015, onthullen de observatoria steeds nieuwe geheimen. “Het zijn fantastische nieuwe dingen; het is niet alleen hetzelfde oude, hetzelfde oude,’ zegt hij.
Tekenen van botsingen tussen zwart gat en neutronensterren geregistreerd in de LIGO- en Virgo-zwaartekrachtgolfobservatoria in 2020, op 5 en 15 januari. De eerste fusie bestond uit een zwart gat van ongeveer 8,9 keer de massa van de zon en een neutronenster van ongeveer 1,9 maal de massa van de zon. De tweede fusie had een zwart gat met een massa van 5,7 zon en een neutronenster met een massa van 1,5 zon. Beide botsingen vonden plaats op meer dan 900 miljoen lichtjaar van de aarde, schatten de wetenschappers.
Om waarneembare zwaartekrachtsgolven te vormen, moeten de objecten die samensmelten extreem dicht zijn, met identiteiten die door hun massa kunnen worden vastgepind. Alles met een massa van meer dan vijf zonsmassa’s zou alleen een zwart gat kunnen zijn, denken wetenschappers. Alles minder dan ongeveer drie zonsmassa’s moet een neutronenster zijn.
Een eerdere detectie van zwaartekrachtgolven betrof een zwart gat dat versmolt met een object dat niet kon worden geïdentificeerd, omdat de massa leek te vallen tussen de scheidingslijnen die zwarte gaten en neutronensterren scheiden (SN: 6/23/20). Een andere eerdere fusie kan het gevolg zijn van een samensmelting van een zwart gat met een neutronenster, maar het signaal van die gebeurtenis was niet sterk genoeg voor wetenschappers om er zeker van te zijn dat de detectie echt was. De twee nieuwe detecties bevestigen de zaak voor ontmoetingen met zwarte gaten en neutronensterren.
Het ene nieuwe evenement is overtuigender dan het andere. De fusie van 5 januari werd gezien in slechts een van de twee zwaartekrachtgolfdetectoren van LIGO, en het signaal heeft een relatief grote kans om een ​​vals alarm te zijn, zegt Miller. “Als dit de enige gebeurtenis was, zou je niet zo zelfverzekerd zijn.” Het evenement van 15 januari “lijkt echter behoorlijk solide”, zegt hij.
Epische ontmoetingen tussen neutronensterren en zwarte gaten vinden regelmatig plaats in de kosmos, suggereren de detecties. Op basis van het tempo van detecties schatten de onderzoekers dat deze gebeurtenissen ongeveer een keer per maand plaatsvinden binnen 1 miljard lichtjaar van de aarde.
Wetenschappers weten nog niet hoe neutronensterren en zwarte gaten elkaar ontmoeten. Ze zouden samen kunnen ontstaan, als twee sterren die om elkaar heen draaien totdat beide geen brandstof meer hebben en sterven, waarbij de ene instort in een zwart gat en de andere een neutronenster vormt. Of de twee objecten kunnen afzonderlijk zijn gevormd en elkaar hebben ontmoet in een druk gebied vol met veel neutronensterren en zwarte gaten.
Terwijl een zwart gat en een neutronenster naar binnen draaien en samensmelten, verwachten wetenschappers dat het zwarte gat de neutronenster aan flarden kan scheuren, waardoor een lichtshow ontstaat die met telescopen kan worden waargenomen. Maar astronomen vonden geen vuurwerk in de nasleep van de twee nieuw gerapporteerde ontmoetingen, noch enig bewijs dat de zwarte gaten de neutronensterren vervormden.
Dat kan zijn omdat het zwarte gat in beide gevallen aanzienlijk groter was dan de neutronenster, wat suggereert dat het zwarte gat de neutronenster in zijn geheel opslokte in een maaltijd die Pac-Man waardig was, zegt Scott.
Als wetenschappers in de toekomst een zwart gat zouden kunnen zien dat een neutronenster versnippert, zou dat onderzoekers kunnen helpen de eigenschappen vast te stellen van het ultradichte, neutronenrijke materiaal waaruit de dode sterren bestaan ​​(SN: 4/20/21).
Bij eerdere detecties van zwaartekrachtsgolven heeft het Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, of LIGO, gevestigd in de Verenigde Staten, samengewerkt met Virgo, in Italië. De nieuwe waarnemingen zijn de eerste met leden van een derde observatorium, KAGRA, in Japan (SN: 18-1-19). Maar de KAGRA-detector zelf droeg niet bij aan de resultaten, omdat wetenschappers hem op dat moment nog aan het voorbereiden waren om zwaartekrachtsgolven te detecteren. LIGO, Virgo en KAGRA zijn momenteel allemaal offline terwijl wetenschappers aan de detectoren sleutelen, en zullen in 2022 hun gemeenschappelijke zoektocht naar kosmische botsingen hervatten.
