Na 15 jaar zwaartekrachtgolven gedetecteerd als kosmisch 'gezoem'

Een 15-jarige samenwerking waarin astrofysici van Cornell een leidende rol hebben gespeeld, heeft het eerste bewijs gevonden van zwaartekrachtgolven die langzaam door de melkweg golven, rimpelingen in ruimte-tijd die waarschijnlijk worden veroorzaakt door paren superzware zwarte gaten tijdens het samensmelten. 

Bij de foto: De Green Bank Telescope van de National Science Foundation met een diameter van 100 meter in West Virginia is het grootste door mensen gemaakte beweegbare object op het land en leverde de best mogelijke gegevens over tientallen milliseconde pulsars die Arecibo niet kon waarnemen. Foto: Jay Young voor Green Bank Observatory.

Het North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) Physics Frontiers Center had eerder hints gerapporteerd van de laagfrequente golven voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie, maar zei dat het signaal te zwak was om hun bestaan te bevestigen.

In onderzoek gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters, zei het team van bijna 200 wetenschappers en 80 partnerinstellingen dat de 15 jaar van observaties met radiotelescopen en een verzameling kosmische klokken - snel ronddraaiende pulsars - nu overtuigend bewijs leverden van zwaartekrachtgolven met oscillaties die jaren tot tientallen jaren aanhouden.

De detectie en lopende metingen zullen naar verwachting bijdragen aan een beter begrip van de evolutie van het heelal op grote en kleine schalen, van inzichten in hoe vaak sterrenstelsels botsen en wat zwarte gaten ertoe aanzet om samen te smelten, tot de fundamentele aard van de zwaartekracht, aldus experts van Cornell.

Bij de foto: De Arecibo-telescoop van de National Science Foundation met een diameter van 305 meter in Puerto Rico, die in 2020 instortte, was decennia lang de grootste en meest gevoelige radiotelescoop ter wereld en was goed voor ongeveer de helft van de zwaartekrachtgolfgevoeligheid van NANOGrav. Foto: Arecibo-telescoop. 

"We openen een geheel nieuwe weg van astrofysisch onderzoek dat we voorheen niet konden onderzoeken met elektromagnetische golven", zegt Shami Chatterjee, Ph.D. ’03, onderzoeksprofessor bij de afdeling Sterrenkunde van het College of Arts and Sciences (A&S); hoofdonderzoeker bij het Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science (CCAPS) en het Carl Sagan Institute (CSI); en voorzitter van de NANOGrav-werkgroep die de zoektocht naar pulsars leidt. "Het is een lang gezochte mijlpaal."

De nieuw gedetecteerde zwaartekrachtgolven verschillen van de vluchtige, hoogfrequente golven die in 2015 werden gedetecteerd door de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), die werden gecreëerd door de botsing van zwarte gaten die 30 keer zo zwaar zijn als de zon.

De laagfrequente golven daarentegen worden vermoedelijk opgewekt door rondcirkelende paren van de meest massieve zwarte gaten in het heelal - miljoenen of miljarden keren massiever dan de zon, met afmetingen die groter zijn dan de afstand tussen de aarde en de zon.

"Dit zijn gigantische monsters en er was onenigheid over of ze echt bestonden", zegt James Cordes, de George Feldstein Professor of Astronomy in A&S en lid van CCAPS en CSI. "We hebben ook aangetoond dat deze enorme zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels dicht genoeg bij elkaar kunnen komen om zwaartekrachtgolven uit te zenden, terwijl ze elkaar steeds sneller naderen en in een spiraal om elkaar heen draaien. Ook dat proces werd betwist.”

Met steun van de National Science Foundation verzamelde NANOGrav gegevens met het Arecibo Observatory in Puerto Rico – dat Cornell tientallen jaren exploiteerde, voordat het instortte in 2020 – Green Bank Telescope in West Virginia en de Very Large Array in New Mexico.

De observatoria op de grond maten pulsen van radiogolven die werden gegenereerd door een netwerk van 68 pulsars binnen een paar duizend lichtjaren van de aarde. De zogenaamde milliseconde pulsars, die ultradichte overblijfselen zijn van massieve sterren, draaien honderden keren per seconde en zenden radiogolven uit met zeer nauwkeurige tussenpozen, zoals een baken van een vuurtoren.

"Millisecondepulsars zijn geweldig, niet alleen omdat het inherent opwindende astrofysische objecten zijn, maar ook omdat ze geweldige hulpmiddelen zijn voor het bestuderen van natuurkunde op gebieden variërend van zwaartekrachtgolven tot het gedrag van de materie met supranucleaire dichtheid in kernen van neutronensterren," zei Thankful Cromartie, een NASA Einstein Postdoctoral Fellow bij CCAPS en voorzitter van NANOGrav's pulsar timing werkgroep, die een leidende rol speelde bij het produceren van de 15-jarige dataset.

"Het is verbazingwekkend dat we elke puls van een object dat honderden keren per seconde ronddraait, kunnen verklaren en een meting kunnen verkrijgen die de atoomklokprecisie benadert."

Zwaartekrachtsgolven rekken en comprimeren de ruimte tussen de pulsars en de aarde, waardoor de stralen iets eerder of later bij een telescoop aankomen, volgens NANOGrav.

De onderzoekers zeiden dat correlaties in timingafwijkingen tussen pulsars consistent waren met voorspelde zwaartekrachtgolven. De golven kwamen niet uit een enkele bron, maar werden gedetecteerd als een achtergrond "brom" - zoals overlappende stemmen in een menigte of instrumenten in een orkest. 

Bij de afbeelding: De NANOGrav-samenwerking heeft het eerste bewijs gevonden voor laagfrequente zwaartekrachtgolven die de kosmos doordringen. De bevinding werd mogelijk gemaakt door 15 jaar pulsarwaarnemingen die de Melkweg veranderden in een zwaartekrachtgolfdetector ter grootte van een melkwegstelsel. Afbeelding: NANOGrav/Sonoma State Univ./Aurore Simonnet

Adam Brazier, een computationele wetenschapper bij het Center for Advanced Computing (CAC), dat een archief bijhoudt van de gegevens van het initiatief, leidt de cyberinfrastructuurwerkgroep en is een gekozen lid van het managementteam van NANOGrav.

"Het is echt anders dan al het andere waar ik bij betrokken ben geweest - de enorme duur van het doen van de wetenschap en het vertrouwen dat het uiteindelijk zal lukken, en het zien van verleidelijke signalen die in de loop van de tijd groeien", zei Brazier. "Wat we zien is als een signaal dat voortkomt uit de ruis."

Naarmate de metingen blijven verbeteren, verwacht het project individuele paren van superzware zwarte gaten te identificeren voor onderzoek, vergelijkbaar met het uitkiezen van noten van een kosmisch orkest.

"Hoewel het meer dan 15 jaar heeft geduurd," zei Cordes, "is deze aankondiging eigenlijk nog maar het begin."

Vertaling: Jan Vyvey
Bron: Cornell University