Naar de content

Zwaartekrachtgolven voor derde keer gemeten

Wetenschappers ‘horen’ twee zwarte gaten samensmelten

LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Voor de derde keer heeft de Amerikaanse LIGO-detector het samensmelten van twee zwarte gaten ‘gehoord’. De zwaartekrachtgolven van deze gewelddadige gebeurtenis werden in januari van dit jaar opgevangen. De ontdekking laat zien dat dit soort duo’s van zwarte gaten misschien niet samen ontstaan.

Impressie van twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien.

LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)
UPDATE: Eerste detectie van LIGO én Virgo samen

UPDATE: Eerste detectie van LIGO én Virgo samen

Het regent de afgelopen tijd ‘primeurs’ in het spiksplinternieuwe onderzoeksveld van de zwaartekrachtgolfastronomie. Op 14 augustus 2017 was er weer een te melden: de twee LIGO-detectoren in de Verenigde Staten detecteerden toen een zwaartekrachtgolf die aan de andere kant van de wereld óók door de Virgo-detector (in het noorden van Italië) werd opgepikt. Het is de eerste keer dat de Virgo-detector zo’n waarneming doet. De betrokken astronomen zijn verheugd, door de succesvolle samenwerking gaat het lokaliseren van de bron van zwaartekrachtgolven veel preciezer.

De bron was in dit geval een duo van zwarte gaten met massa’s van 25 en 31 maal die van onze zon, dat 1,8 miljard jaar geleden samensmolt tot een zwart gat. De Virgo-detector speurde al jaren naar dergelijke signalen maar is nu – na een flinke upgrade – gevoelig genoeg om samen met de LIGO-detectoren één groot observatorium te vormen. De wetenschappers denken dat dergelijke gebeurtenissen hiermee in de toekomst wekelijks gemeten kunnen worden.

Het heelal laat zich weer horen. Sinds de eerste meting van de langgezochte zwaartekrachtgolven in september 2015 is het nu voor de derde keer raak: de Amerikaanse LIGO-detector heeft de zwanenzang van twee middelzware zwarte gaten gesignaleerd. Dat gebeurde afgelopen januari, twee maanden nadat LIGO was aangezet na verbeteringen aan de detector.

Het samensmelten van twee zwarte gaten is een van de meest gewelddadige gebeurtenissen in het universum. Ze beginnen eerst met een razend tempo om elkaar heen te cirkelen om uiteindelijk op elkaar te klappen. In dit geval ging het om twee zwarte gaten die respectievelijk 31,2 en 19,4 keer zwaarder zijn dan onze zon. Daarbij ontstond een nieuw zwart gat van ongeveer 48,7 zonsmassa. Klopt de som niet? Inderdaad! De ‘ontbrekende’ zonsmassa is bij de botsing volledig omgezet in energierijke zwaartekrachtgolven. En die zijn met de lichtsnelheid in alle richtingen van het universum gestuurd, als een soort rimpeling op de kosmische vijver.

Impressie van hoe twee om elkaar draaiende zwarte gaten meetbare golven in de ruimtetijd maken. De laatste rotatie en de samensmelting vinden in werkelijkheid in ongeveer 0,2 seconden plaats.

De verschillende zwaartekrachtgolven die tot nu toe zijn gemeten. Ze zijn allemaal afkomstig van samensmeltende zwarte gaten. Het onderste signaal werd in januari 2017 opgepikt en duurt zo’n 0,3 seconden. Het tweede signaal (LVT151012) was meetbaar, maar niet sterk genoeg om officieel meegeteld te worden.

LIGO/B. Farr (U. Chicago)

Pakweg drie miljard jaar laten bereiken deze golven de aarde als een kortstondige en minieme vervorming van de ruimte. Voor mensen volstrekt onmerkbaar, maar meetbaar voor de LIGO-detector. De signalen werden geanalyseerd door een groot team van internationale wetenschappers, waaronder die van de vergelijkbare Virgo-detector in Italië. De derde meting in relatief korte tijd doet vermoeden dat catastrofale botsingen van zwarte gaten regelmatig voorkomen. Voor het eerst is er nu ook informatie over de draairichtingen van de betrokken zwarte gaten. De resultaten zijn deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters gepubliceerd.

Verschillende ontstaanstheorieën

Het gemeten signaal duurt slechts 0,3 seconden en lijkt op een soort tsjirp, die laag begint en hoog eindigt. Toch kunnen wetenschappers een berg aan informatie uit dat signaal persen. Zo zijn aan de hand van de frequentie en de precieze vorm van de zwaartekrachtgolf de massa’s van de twee zwarte gaten te bepalen. “We kunnen er overigens best een zonsmassa naast zitten”, zegt Jo van den Brand, natuurkundige van Nikhef en de Vrije Universiteit die bij het onderzoek betrokken was. “Die onzekerheden geven we netjes aan in de publicatie.”

Volgens Van den Brand lijkt het erop dat tenminste een van de twee zwarte gaten een bijzondere draairichting had. “Als ze samen zijn ontstaan dan verwacht je eigenlijk dat ze dezelfde richting op draaien”, zegt hij. “Vergelijk het met ons zonnestelsel: bijna alle planeten zitten in één vlak en roteren in dezelfde richting om hun as. Dat dit hier niet het geval is, betekent misschien dat de zwarte gaten niet bij elkaar zijn ontstaan.”

Een van de twee Amerikaanse LIGO-detectoren in Handford, Washington.

LIGO via publiek domein

Elke dag raak

De twee LIGO-detectoren (een in het noordwesten en de ander in het zuidoosten van de VS) staan niet altijd aan. Het grootste deel van 2016 werden er aanpassingen gedaan om ze gevoeliger te maken. “De detector meet de vervorming van de ruimte met intense laserstralen die door een kilometers lange buis heen en weer kaatsen”, zegt Van den Brand. “Het is een grote uitdaging om ervoor te zorgen dat er nergens ongewenste trillingen zijn of licht ‘weglekt’ dat de meting verstoort. Maar ik ben erg tevreden, steeds als de detector aan gaat, is het binnen enkele maanden raak. Dat moeten we volhouden!”

Over enkele weken komt ook de Italiaanse Virgo-detector online om samen met LIGO naar nieuwe zwaartekrachtsgolven te speuren. Van den Brand is woordvoerder van de Virgo-organisatie die nauw samenwerkt met LIGO. “We zijn druk bezig met de laatste tests, en hoewel de detector in eerste instantie nog niet zo gevoelig is als LIGO, gaat het de gevoeligheid van alle detectoren samen enorm verbeteren. Vooral het bepalen van de positie en de afstand tot de zwaartekrachtgolfbronnen wordt veel preciezer”, zegt hij.

Een impressie van een magnetar, een compacte neutronenster met een extreem sterk magneetveld.

ESO/L. Calçada

Of LIGO en Virgo dan alleen maar zwarte gaten gaan meten? Van den Brand denkt van niet. “In eerste instantie werden er vooral signalen van draaiende neutronensterren verwacht. Nu blijkt er een hele klasse van ‘middelzware’ zwarte gaten te zijn die astronomen helemaal niet voorspelden”, zegt hij. “Ik hoop natuurlijk wel dat we die neutronensterren in de toekomst gaan detecteren. Of zelfs iets waar niemand eerder aan gedacht heeft.”

Door stapsgewijze verbeteringen halen LIGO en Virgo naar verwachting in 2022 hun maximale gevoeligheid. “Je verwacht dan eigenlijk bijna elke dag iets te meten”, zegt Van den Brand. “Zo krijgen we een mooi beeld van de populatie van (dubbele) zwarte gaten. Iets wat je op basis van deze drie signalen nog niet kunt zeggen.”

Bron
  • Abbott B. et al., Observation of a 50-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence at Redshift 0.2, Physical Review Letters (1 juni 2017), DOI:0.1103/PhysRevLett.118.221101
ReactiesReageer