Skip to content
Home » Nieuwsgierige crash van zwart gat in diepe ruimte laat astrofysici voor een raadsel

Nieuwsgierige crash van zwart gat in diepe ruimte laat astrofysici voor een raadsel

    Nieuwsgierige crash van zwart gat in diepe ruimte laat astrofysici voor een raadsel

    Botsingen met zwarte gaten zijn enkele van de meest extreme verschijnselen in het universum. Terwijl de twee massieve, onzichtbare lichamen naar elkaar toe draaien, verstoren ze het weefsel van de ruimtetijd en zenden ze rimpelingen uit door het universum. Die rimpelingen — zwaartekrachtsgolven — spoelen uiteindelijk over de aarde, waar enkele zeer gevoelige detectoren in de VS, Italië en Japan ze kunnen “horen”.

    Eén zo’n rimpeling spoelde over onze planeet in de vroege uren van 29 januari 2020. Het werd opgepikt door de dubbele detectoren van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in de VS en een derde detector, Virgo, in Italië. Het karakteristieke getjilp van de detectoren suggereerde een paar zwarte gaten, een die ongeveer 40 keer de massa van de zon was en de andere 22 keer tegen elkaar was ingeslagen.

    In een nieuwe studie, woensdag gepubliceerd in het tijdschrift Nature, onderzochten onderzoekers de golf van deze botsing, genaamd GW200129, die – toen ze voor het eerst werd ontdekt – een eigenaardig signaal vertoonde. Het getjilp van de golf leek te suggereren dat de zwarte gaten die tegen elkaar botsten in hun baan ronddraaiden. Deze wiebeling staat wetenschappelijk bekend als ‘precessie’ en het zou de eerste keer zijn dat we dit effect in zwarte gaten zien.

    Andere wetenschappers op het gebied van zwaartekrachtgolven zijn er echter niet zo zeker van dat het signaal het bewijs levert van dit fenomeen. In plaats daarvan vroegen ze zich af of de gegevens kunnen worden beïnvloed door een storing in een van de zwaartekrachtgolfdetectoren die GW200129 voor het eerst zagen.

    Wat gebeurt er met GW200129?

    Laten we het eerst hebben over dat ‘wiebelen’. Om precessie te visualiseren, denk aan de aarde die rond de zon draait. Je stelt je waarschijnlijk onze kleine, blauwgroene planeet voor die rond de grote, hete gasbal op een plat vlak draait. De planeet beweegt rond de zon zonder “omhoog” of “omlaag” af te wijken. Het beweegt gewoon rond de zon als een raceauto op het Daytona 500-circuit. (Laten we hier niet ingaan op de axiale precessie van de aarde)

    In de simulatie kun je duidelijk het baanvlak zien verschuiven terwijl de twee zwarte gaten om elkaar heen draaien.

    Vijay Varma/Leo Stein/Davide Gerosa.

    Twee zwarte gaten delen dezelfde relatie, draaien om elkaar heen op een mooi, plat baanvlak en stoten energie af in de vorm van zwaartekrachtsgolven terwijl ze steeds dichter naar elkaar toe cirkelen. Maar in “voorafgaande” zwarte gaten wordt het baanvlak in de loop van de tijd vervormd. Einsteins schijnbaar onbreekbare algemene relativiteitstheorie suggereert de manier waarop individuele zwarte gaten draaien (ja, ze draaien) de precessie kan beïnvloeden. Wanneer de spins niet goed zijn uitgelijnd, kan het baanvlak worden geroteerd.

    Je kunt een voorbeeld hiervan zien, geproduceerd door Vijay Varma, een astrofysicus van Caltech, dankzij een tool die hij produceerde in een artikel uit 2018 in de GIF hierboven.

    In theorie kunnen astrofysici precessie in binaire zwarte gaten “zien” door het zwaartekrachtgolfsignaal te bestuderen, maar het is extreem subtiel. De auteurs van het nieuwe onderzoek denken dat ze dit ongrijpbare teken in de gegevens hebben vastgelegd: ze ontdekten een binair zwart gat dat overal heen en weer wiebelde en kantelde.

    “Het is buitengewoon opwindend om het eindelijk te hebben waargenomen”, zegt Mark Hannam, een professor in astrofysica aan de Cardiff University in het VK en eerste auteur van de nieuwe studie. “Dit is iets dat we hopen te zien sinds de eerste detecties in 2015, zowel omdat het een algemeen relativiteitseffect is dat we nog moeten zien in het extreme regime van samensmeltingen van zwarte gaten, en het heeft de potentie om ons een veel over hoe zwarte gaten ontstaan.”

    Weet je nog dat ik zei dat zwarte gaten kunnen draaien? Over het algemeen draaien zwarte gaten die ontstaan ​​wanneer een ster instort vrij langzaam en zonder enige precessie. Maar zwarte gaten die ontstaan ​​door de vorming van twee ander botsende zwarte gaten kunnen nogal ongebruikelijke spins en extreme snelheden hebben, waardoor het hele systeem in de war kan raken. Dus, merkt Hannam op: “Een mogelijkheid is dat het grotere zwarte gat is geproduceerd in een eerdere fusie van twee zwarte gaten.”

    Best opmerkelijk, maar is de zaak gesloten? Niet zo bijna.

    Glitch in de ruimte trix

    Hoewel het signaal Kunnen worden geïnterpreteerd als een paar wiebelende, voorafgaande zwarte gaten, hebben andere astrofysici opgemerkt dat GW200129 iets veel minder opwindends zou kunnen zijn: een fout.

    “In het geval van GW200129 was er een zwakke maar aanwezige storing in de Livingston-detector van LIGO die samenviel met de gebeurtenis”, zegt Ethan Payne, een astrofysicus bij Caltech. Payne schreef onlangs een preprint-artikel, geüpload naar de website arXiv in juni, dat GW200129 beschrijft als een “nieuwswaardig geval” en het argument presenteert dat een dergelijke storing het signaal kan beïnvloeden.

    Gravitatiegolfdetectoren kunnen storingen en ruis ervaren die de signalen soms verduisteren. De meeste, zei Payne, hebben geen invloed op ons begrip van waar een zwaartekrachtgolf is ontstaan. Met enige finesse kunnen wetenschappers het geluid en de storingen verklaren. Dit was het geval met de allereerste detectie van zwaartekrachtsgolven van twee botsende neutronensterren, maar wetenschappers waren in staat om de glitch te modelleren en “af te trekken”.

    Artistieke impressie van twee botsende neutronensterren

    Een artistieke impressie van twee botsende neutronensterren, die zwaartekrachtgolven en een enorme, heldere straal genereren.

    Caltech/LIGO

    In het geval van GW200129 werd een andere sensor in de zwaartekrachtgolfdetector gebruikt om de glitch van Hannam in de nieuwe studie af te trekken. “Het verwijderen van de glitch was misschien niet perfect, maar het is uiterst onwaarschijnlijk dat iets dat overblijft de precessie kan nabootsen die we hebben gezien,” zei Hannam. Hij zegt vertrouwen te hebben in het resultaat van zijn team vanwege alle ontwikkelingen die zijn gestoken in het voorbereiden van de gegevens van de detectoren en de controles die zijn uitgevoerd op de eigen analyse van zijn team.

    Maar er blijft onzekerheid. Payne’s werk suggereert dat sommige van de finessing-wetenschappers die hebben gedaan al het bewijs van de glitch kunnen verwijderen. Andere astrofysici met wie ik sprak, suggereren dat de analyse dit niet volledig heeft verklaard.

    “Ik vind het opwindend werk”, zei Eric Thrane, een astrofysicus aan de Monash University in Australië en lid van de LIGO-Virgo-samenwerking die niet was aangesloten bij het onderzoek, “maar in het licht van Payne[‘s paper]Ik weet niet zeker of ze hebben laten zien wat ze wilden.”

    Opgemerkt moet worden dat het proces van het analyseren van het GW200129-signaal, het bepalen van de precessie, het schrijven van de nieuwe studie en het accepteren ervan voor publicatie in Nature lang duurt. Hannam en zijn co-auteurs waren dit stuk aan het voorbereiden lang voordat de problemen met de LIGO-glitch volledig waren opgelost. Het nieuwe artikel heeft geen problemen besproken die naar voren zijn gekomen door de analyse die door Payne en zijn team is uitgevoerd, maar Hannam merkt op dat “hun methode nog moet worden ontwikkeld”.

    Dit is wetenschap in actie. Het ene team legt een datapunt uit, het andere geeft redenen waarom we er voorzichtig mee moeten zijn. Voorlopig lijken de astrofysici met wie ik sprak weg te leunen van GW200129 als het eerste voorbereidende zwarte gat binair getal dat we hebben gezien. Maar het is slechts een kwestie van tijd voordat wetenschappers dit fenomeen ondubbelzinnig zien.

    De LIGO-, Virgo- en Kagra-detectoren zullen begin 2023 een nieuwe waarnemingsrun starten, de vierde. In de afgelopen twee jaar hebben de detectoren aanzienlijke upgrades ondergaan waardoor ze gevoeliger zijn geworden, waardoor de mogelijkheid wordt geopend om nog zwakkere signalen uit de hele kosmos. “We zullen waarschijnlijk 200 tot 300 meer GW’s per jaar waarnemen, dus de kans is groot dat we deze systemen binnenkort veel beter zullen begrijpen!” zei Hannam.

    En daarmee komen nog meer uitdagingen, met name rond het sorteren van de storingen en ruis.

    “Aangezien het verwachte aantal waarnemingen zal toenemen naarmate onze detectoren worden verbeterd, zal het aantal gebeurtenissen dat besmet is met glitches omhoogschieten en zal er zorgvuldig werk nodig zijn om de glitches te modelleren”, zei Payne.