Onze catalogus van rimpelingen in ruimte en tijd die door zwaartekrachtgolfdetectoren hier op aarde worden ‘gehoord’, is verdubbeld, zeggen wetenschappers, met nieuw ontdekte bronnen variërend van wankele fusies van zwarte gaten tot de zwaarste botsing van zwarte gaten die tot nu toe is gedetecteerd. Al in 1915 voorspelde Albert Einstein dat wanneer de meest dichte en extreme objecten in het universum met elkaar in botsing komen, deze gebeurtenissen de structuur van ruimte en tijd (verenigd als een vierdimensionale entiteit genaamd ruimte-tijd) zouden doen trillen.
Honderd jaar later, op 14 september 2015, detecteerde het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) voor het eerst deze rimpelingen in de ruimtetijd, die afkomstig waren van botsende zwarte gaten op meer dan 1,3 miljard lichtjaar afstand. Sindsdien hebben LIGO en zijn partner-zwaartekrachtgolfdetectoren Virgo in Italië en KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) in Japan een groot aantal zwaartekrachtgolven gedetecteerd van botsende zwarte gaten, samensmeltende neutronensterren en zelfs de vreemde “gemengde fusie” tussen een zwart gat en een neutronenster. De meest recente gegevensverzameling van de LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) Collaboration laat zien dat het universum praktisch gonst van de zwaartekrachtgolven van kosmische botsingen. Elke nieuwe detectie van zwaartekrachtgolven stelt ons in staat om een nieuw stukje van de puzzel van het universum te ontrafelen op manieren die tien jaar geleden nog ondenkbaar waren“, aldus LVK-lid Lucy Thomas van het California Institute of Technology (Caltech) in een verklaring. ”Het is ongelooflijk spannend om na te denken over welke astrofysische mysteries en verrassingen we met toekomstige observaties kunnen ontdekken."
Meer variatie
De gegevens in deze catalogus, genaamd Gravitational-Wave Transient Catalog-4.0 (GWTC-4), omvatten 128 ongelooflijk verre bronnen van zwaartekrachtgolven. Ze zijn verzameld tijdens de vierde observatieronde van deze zwaartekrachtgolfdetectoren, die plaatsvond tussen mei 2023 en januari 2024. Daarvoor, en tijdens de eerste drie observatierondes van LIGO, Virgo en KAGRA, hadden wetenschappers slechts 90 potentiële bronnen van zwaartekrachtgolven ‘gehoord’. Het spannende is dat GWTC-4 technisch gezien nog groter had kunnen zijn, aangezien ongeveer 170 andere detecties van zwaartekrachtgolven door LIGO, Virgo en KAGRA nog niet in de catalogus zijn opgenomen. “In het afgelopen decennium heeft de zwaartekrachtgolfastronomie zich ontwikkeld van de eerste detectie tot de waarneming van honderden fusies van zwarte gaten”, aldus Stephen Fairhurst, woordvoerder van LIGO en professor aan de Universiteit van Cardiff in het Verenigd Koninkrijk, in de verklaring. “Deze waarnemingen stellen ons in staat om beter te begrijpen hoe zwarte gaten ontstaan uit de ineenstorting van massieve sterren, om de kosmologische evolutie van het universum te onderzoeken en om steeds rigoureuzere bevestigingen te leveren van de algemene relativiteitstheorie.”
Een aspect van GWTC-4 dat echt opvalt, is de verscheidenheid aan gebeurtenissen die deze signalen hebben veroorzaakt. Deze catalogus bevat zwaartekrachtgolven van fusies tussen de zwaarste zwarte-gat-binaire sterren tot nu toe, elk ongeveer 130 keer zo zwaar als de zon, onevenwichtige fusies tussen zwarte gaten met sterk uiteenlopende massa's, en zwarte gaten die met ongelooflijke snelheden van ongeveer 40% van de lichtsnelheid ronddraaien. In deze gevallen denken wetenschappers dat de extreme kenmerken van de zwarte gaten die bij deze fusies betrokken zijn, het resultaat zijn van eerdere botsingen, wat bewijs levert voor fusieketens die verklaren hoe sommige zwarte gaten uitgroeien tot massa's die miljarden keren zo groot zijn als die van de zon. “Deze dataset heeft ons geloof versterkt dat zwarte gaten die eerder in de geschiedenis van het universum met elkaar in botsing kwamen, gemakkelijker een grotere spin konden hebben dan degenen die later met elkaar in botsing kwamen”, aldus LVK-lid en MIT-wetenschapper Salvatore Vitale in de verklaring. GWTC-4 omvat ook twee nieuwe gemengde fusies waarbij zwarte gaten en neutronensterren betrokken zijn.
“De boodschap van deze catalogus is: we breiden ons uit naar nieuwe delen van wat we ‘parameterruimte’ noemen en een geheel nieuwe verscheidenheid aan zwarte gaten”, aldus LVK-lid Daniel Williams van de Universiteit van Glasgow in het Verenigd Koninkrijk in de verklaring. “We verleggen echt de grenzen en zien dingen die massiever zijn, sneller draaien en astrofysisch interessanter en ongebruikelijker zijn.” De catalogus laat ook zien hoe gevoelig de LVK-detectoren inmiddels zijn geworden. Sommige fusies van neutronensterren vonden plaats op een afstand van wel 1 miljard lichtjaar, terwijl sommige fusies van zwarte gaten plaatsvonden op een afstand van wel 10 miljard lichtjaar. Dankzij deze detecties konden wetenschappers de theorie testen die als eerste het bestaan van zowel zwarte gaten als zwaartekrachtgolven voorspelde, Einsteins magnum opus-theorie van de zwaartekracht, de algemene relativiteitstheorie.
“Zwarte gaten zijn een van de meest iconische en verbijsterende voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. Ze brengen ruimte en tijd intenser in beroering dan bijna elk ander proces dat we ons kunnen voorstellen”, aldus LVK-lid Aaron Zimmerman van de Universiteit van Texas in Austin in de verklaring. "Bij het testen van onze fysische theorieën is het goed om te kijken naar de meest extreme situaties die we kunnen bedenken, omdat onze theorieën daar het meest waarschijnlijk niet kloppen en we daar de beste kans hebben op ontdekkingen. Tot nu toe doorstaat de theorie al onze tests. Maar we leren ook dat we nog nauwkeurigere voorspellingen moeten doen om alle gegevens die het universum ons geeft bij te kunnen houden." De LVK-resultaten zullen binnenkort verschijnen in een speciale uitgave van het Astrophysical Journal Letters.
Bron: Space.com
