Nieuw fusies van zwarte gaten ontdekt in oude data

In de afgelopen zeven jaar hebben wetenschappers van de LIGO-Virgo-samenwerking minstens 90 signalen van zwaartekrachtsgolven gedetecteerd. Zwaartekrachtsgolven zijn verstoringen in het weefsel van de ruimtetijd die naar buiten razen als gevolg van catastrofale gebeurtenissen zoals de fusie van binaire zwarte gaten.

In observaties van de eerste helft van de meest recente experimentele run, die in 2019 nog zes maanden, meldde de betrokken wetenschappers dat ze signalen ontvingen van 44 fusies van binaire zwarte gaten.

Maar er zaten er meer verstopt in de gegevens.

De zoektocht werd uitgebreid en een internationale groep astrofysici onderzocht de gegevens opnieuw en vond 10 extra fusies van zwarte gaten, allemaal buiten de detectiedrempel van de oorspronkelijke analyse. De nieuwe fusies duiden op exotische astrofysische scenario's die voorlopig alleen kunnen worden bestudeerd met behulp van zwaartekrachtsgolfastronomie.

Bij de foto: Een NASA-kunstenaar creëerde dit beeld van een dansend zwart gat-duo. Astrofysici van Princeton hebben deze week aangekondigd dat ze nog 10 fusies van zwarte gaten hebben ontdekt die verborgen zijn in gegevens van de LIGO- en Virgo-zwaartekrachtgolfdetectoren. Bron: NASA

"Met zwaartekrachtgolven beginnen we nu de grote verscheidenheid aan zwarte gaten te observeren die de afgelopen miljard jaar zijn samengesmolten", zegt natuurkundige Seth Olsen, een promovendus aan de Princeton University die de nieuwe analyse leidde. Elke waarneming draagt ​​bij aan ons begrip van hoe zwarte gaten zich vormen en evolueren, zei hij, en de sleutel tot het herkennen ervan is om efficiënte manieren te vinden om de signalen van de ruis te scheiden.

De waarnemingen omvatten met name verschijnselen van zowel zwarte gaten met een hoge massa als met een lage massa, waarmee voorspelde gaten in het spectrum van zwarte gaten met een lage massa worden opgevuld waar tot nu toe weinig bronnen zijn waargenomen. De meeste kernfysische modellen suggereren dat sterren niet kunnen instorten tot zwarte gaten met een massa tussen ongeveer 50 en 150 keer de massa van de zon. "Als we een zwart gat in dit massabereik vinden, vertelt het ons dat er meer achter het verhaal zit over hoe het systeem is gevormd," zei Olsen, "omdat er een goede kans is dat een zwart gat in de bovenste massa het product is van een eerder fusie."

Kernfysische modellen suggereren ook dat sterren met minder dan tweemaal de massa van de zon neutronensterren worden in plaats van zwarte gaten, maar bijna alle waargenomen zwarte gaten waren meer dan vijf keer de massa van de zon. Waarnemingen van fusies met een lage massa kunnen de kloof tussen neutronensterren en de lichtst bekende zwarte gaten helpen overbruggen.

Voor zowel de gaten in de hoogste als laagste massa’s waren al een klein aantal zwarte gaten gedetecteerd, maar de nieuwe bevindingen laten zien dat dit soort systemen vaker voorkomen dan we dachten, zei Olsen.

De nieuwe bevindingen omvatten ook een systeem dat wetenschappers nog nooit eerder hadden gezien: een zwaar zwart gat dat in de ene richting draait en een veel kleiner zwart gat opslokt dat er in de tegenovergestelde richting omheen draaide. "De spin van het zwaardere zwarte gat is niet precies anti-uitgelijnd met de baan," zegt Olsen, "maar eerder gekanteld ergens tussen zijwaarts en ondersteboven, wat ons vertelt dat dit systeem mogelijk afkomstig is van een interessante subpopulatie van binaire samensmeltingen van zwarte gaten, waar de hoeken tussen de banen van het zwarte gat en de spins van het zwarte gat allemaal willekeurig zijn.

Het identificeren van gebeurtenissen zoals het samensmelten van zwarte gaten vereist een strategie die betekenisvolle signalen kan onderscheiden van achtergrondruis in waarnemingsgegevens. Het is niet anders dan smartphone-apps die muziek kunnen analyseren - zelfs als het op een lawaaierige openbare plaats wordt afgespeeld - en het nummer dat wordt afgespeeld kunnen identificeren. Net zoals een dergelijke app de muziek vergelijkt met een database van sjablonen of de frequentiesignalen van bekende liedjes, vergelijkt een programma voor het vinden van zwaartekrachtsgolven de waarnemingsgegevens met een catalogus van bekende gebeurtenissen, zoals het samensmelten van zwarte gaten.

Om de 10 extra evenementen te vinden, analyseerden Olsen en zijn medewerkers de gegevens van LIGO en Virgo met behulp van de "IAS-pijplijn", een methode die voor het eerst werd ontwikkeld aan het Institute for Advanced Studies (*) en geleid door Matias Zaldarriaga, een IAS-astrofysicus die ook gastdocent is met de rang van professor aan de Princeton University.

De IAS-pijplijn verschilt op twee belangrijke manieren van de aanpak die wordt gebruikt door de LIGO- en Virgo-teams. Ten eerste bevat het geavanceerde gegevensanalyse en numerieke technieken om de signaalverwerking en de rekenefficiëntie te verbeteren. Ten tweede gebruikt het een statistische methodologie die enige gevoeligheid voor de meest voorkomende bronnen opoffert om gevoeligheid te krijgen voor de bronnen die de traditionele benaderingen het meest waarschijnlijk zullen missen, zoals snel draaiende zwarte gaten.

Eerder hebben Zaldarriaga en zijn team de IAS-pijplijn gebruikt om gegevens van eerdere runs van de LIGO-Virgo-samenwerking te analyseren en op dezelfde manier fusies van zwarte gaten te identificeren die werden gemist in de eerste run-analyse. Het is rekenkundig niet haalbaar om het hele universum te simuleren, zegt Olsen, of zelfs het verbluffend brede scala aan manieren waarop zwarte gaten kunnen ontstaan. Maar tools zoals de IAS-pijplijn, zei hij, "kunnen de basis leggen voor nog nauwkeurigere modellen in de toekomst."

Bron: The Office of Communications - Princeton University
Vertaler: Jan Vyvey

(*) Het Institute for Advanced Study (IAS), gevestigd in Princeton, New Jersey, Verenigde Staten, is een centrum voor theoretisch onderzoek. Het Instituut is misschien wel het bekendst als de academische thuisbasis van Albert Einstein, John von Neumann en Kurt Gödel, na hun emigratie naar de Verenigde Staten. Andere beroemde geleerden die aan het instituut hebben gewerkt zijn onder meer J. Robert Oppenheimer, Freeman Dyson, George Kennan en Hermann Weyl. Er zijn inmiddels meerdere Institutes of Advanced Study, die op een vergelijkbaar model zijn gebaseerd.

Het instituut heeft geen formele banden met de Princeton Universiteit of andere onderwijsinstellingen. Sinds de oprichting van het instituut zijn er echter nauwe informele banden. Het instituut werd in 1930 opgericht door de filantropen Louis Bamberger en Caroline Bamberger Fuld; de eerste directeur was Abraham Flexner.

Het instituut is verdeeld in vier scholen: Historische Studies, Wiskunde, Natuurwetenschappen en Sociale Wetenschappen, met een meer recent programma in de systeembiologie. Er zijn 27 permanente leden van de wetenschappelijke staf, die geen bestuurs- of onderwijsverplichtingen hebben. Er worden elk jaar tijdelijke posities beschikbaar gesteld voor 190 bezoekende leden, die van meer dan 100 universiteiten en onderzoeksinstellingen komen. De huidige directeur is Robbert Dijkgraaf.

Bron: Wikipedia