Een nieuw model om beter te begrijpen wat er in botsende zwarte gaten zit

In 2015 ontdekten wetenschappers voor het eerst zwaartekrachtgolven, rimpelingen in de ruimte-tijd die optreden wanneer grote kosmische gebeurtenissen, zoals de botsing en samensmelting van twee zwarte gaten, de kosmos verstoren. De waarneming van deze golven bevestigde de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die voorspelde dat dergelijke golven zouden optreden als ruimte-tijd zou werken zoals hij dacht dat het deed. In de zeven jaar daarna zijn bijna 100 samensmeltende zwarte gaten gedetecteerd door de zwaartekrachtgolven te observeren die deze buitenaardse gebeurtenissen uitzenden.

Bij de afbeelding: Een computerweergave van twee zwarte gaten die op het punt staan samen te smelten, van bovenaf gezien. Afbeelding: SXS Lensing/simulatie van eXtreme Spacetimes-samenwerking

Dankzij nieuw onderzoek van een team van 14 onder leiding van Caltech-promovendus en Columbia College-aluin Keefe Mitman, Columbia-postdoc Macarena Lagos, Columbia-professor Lam Hui en professor Leo Stein van de University of Mississippi, is het vermogen om modellen te modelleren van deze kosmische gebeurtenissen meer verfijnd. Het verbeterde model dat ze hebben ontwikkeld, maakt de weg vrij voor een beter begrip van de structuur van samensmeltende zwarte gaten.

In "N-linearities in Black Hole Ringdowns", een nieuw artikel gepubliceerd in Physical Review Letters, schetst het team een complexere manier om het signaal dat zwaartekrachtgolven uitzenden te modelleren door niet-lineaire interacties in de modellen op te nemen.

Deze modelleringsmethode stelt wetenschappers in staat om de structuur van wat er in zwarte gaten gebeurt beter te begrijpen, en zal ook helpen testen of Einsteins algemene relativiteitstheorie het gedrag van de zwaartekracht in extreme astrofysische omgevingen correct beschrijft.

Bij de afbeelding: Een computerweergave van twee zwarte gaten die op het punt staan samen te smelten, gezien vanaf de zijkant. Afbeelding: SXS Lensing/simulatie van eXtreme Spacetimes-samenwerking

"Dit is een grote stap om ons voor te bereiden op de volgende fase van detectie van zwaartekrachtgolven, die ons begrip van de zwaartekracht en deze ongelooflijke verschijnselen die plaatsvinden in de verre uithoeken van de kosmos zal verdiepen", zegt Lagos, een co-auteur van het artikel.

Het onderzoek komt op een geschikt moment: in maart zal LIGO, het observatorium dat voor het eerst zwaartekrachtgolven detecteerde, worden ingeschakeld om nieuwe waarnemingen te verzamelen van gebeurtenissen in de verre uithoeken van de ruimte. Het observatorium is niet meer in gebruik sinds 2020, toen werd stilgelegd vanwege de pandemie.

Verscheidene andere grote detectoren zullen naar verwachting de komende jaren beginnen met het verzamelen van gegevens, waardoor het nog belangrijker wordt dat ze over geavanceerde modellen beschikken om binnenkomende informatie te interpreteren.

Mede-auteur Lam Hui gebruikte een analogie om de informatie te beschrijven die zwaartekrachtgolven kunnen bieden: “Als ik je een doos geef en je vraag je af wat erin zit, dan is het vrij normaal dat je er eens mee gaat schudden. Dat zou je vertellen of er snoepjes of munten in de doos zitten. Dat is wat we met deze modellen proberen te doen, een idee krijgen van de innerlijke inhoud van een zwart gat door te luisteren naar het geluid dat wordt uitgezonden wanneer het wordt geschud.”

Het "schudden" in het geval van zwarte gaten is de verstoring die optreedt wanneer twee zwarte gaten botsen en samensmelten. "Door te luisteren naar de harmonischen die het uitzendt, kunnen we de ruimte-tijdstructuur van het zwarte gat beoordelen."

Modellen van zwaartekrachtgolven die worden uitgezonden nadat twee zwarte gaten samensmelten, bevatten tot nu toe alleen lineaire interacties, die goed werken en waardevolle informatie opleveren over de structuur en inhoud van zwarte gaten. Dit nieuwe model zou echter wel een verbetering van 10% kunnen bieden in de algehele nauwkeurigheid van modellen met zwarte gaten, aldus de auteurs van het artikel.

Om het belang te begrijpen van het gebruik van niet-lineariteit om zwaartekrachtgolven te beschrijven, beschreven de auteurs golven in een oceaan: een golf die stijgt en daalt zonder water in de lucht te spuiten, kan worden beschreven met een lineaire vergelijking.

Maar een golf die op en neer gaat, vertoont niet-lineaire interacties: terwijl wat water aan de onderkant van de golf opzwelt, botst ander water tegelijkertijd links, rechts, omhoog en omlaag in ranken en waterdruppeltjes erboven.

Een niet-lineair model van de golf zou je in staat stellen te begrijpen hoe en wanneer al het water in de golf, inclusief de druppeltjes in de lucht, in beweging is. Zwaartekrachtsgolven zijn vergelijkbaar met watergolven en het nieuwe model kan rekening houden met het buitenaardse equivalent van extra waterdruppels.

"We bereiden ons voor op het moment dat we zwaartekrachtgolfdetectives worden, wanneer we dieper zullen graven om alles te begrijpen wat we kunnen over hun aard", zei Stein, een van de auteurs van het artikel.

Vertaling: Jan Vyvey
Bron: Columbia-universiteit