Schijven, pieken en wolken: wat leren zwarte gaten ons?

De detectie van zwaartekrachtgolven die worden geproduceerd tijdens het samensmelten van zwarte gaten, leert ons van alles over de eigenschappen van deze extreme objecten.

Een team van onderzoekers in de groep van Gianfranco Bertone van de Universiteit van Amsterdam ontwikkelt nieuwe technieken om informatie te extraheren, niet alleen over zwarte gaten zelf, maar ook over hun omgeving.

In een nieuwe analyse onder leiding van Pippa Cole, en gepubliceerd in Nature Astronomy, hebben voormalige en huidige leden van het onderzoeksteam aangetoond dat het met toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren in de ruimte mogelijk zal zijn om de aanwezigheid van schijven van gas, donkere materie en nieuwe lichtdeeltjes rond zwarte gaten vast te stellen.

Bij de foto: Artistieke impressie van het in de ruimte gestationeerde LISA-experiment dat een zwaartekrachtgolf detecteert. Met dergelijke toekomstige metingen wordt een kijkje in de achtertuin van een zwart gat mogelijk. Afbeelding: NASA.

Een nieuw venster op het heelal

De eerste detectie van zwaartekrachtgolven, in 2015, heeft een venster geopend op het heelal waarmee het in het bijzonder mogelijk werd om het samensmelten van paren van massieve zwarte gaten waar te nemen.

Het jonge onderzoeksgebied is snel volwassen geworden, en op dit moment zijn er al tientallen van zulke samensmeltingen waargenomen. De huidige waarnemingen zijn beperkt tot de allerlaatste stadia van het ineenstorten – vaak maar een paar seconden – omdat de uitgezonden zwaartekrachtgolven dan extreem sterk zijn.

Gelukkig zijn er verschillende nieuwe experimenten in de maak die het mogelijk maken om de paren van zwarte gaten veel langer waar te nemen voor ze samensmelten; mogelijk zelfs jarenlang.

Wanneer deze veel nauwkeurigere metingen beginnen binnen te komen, willen onderzoekers klaar zijn en in staat zijn om ze te interpreteren.

Bij de foto: Een van de LISA-ruimtevaartuigen. Afbeelding: LISA-consortium.

Pippa Cole, postdoctoraal onderzoeker in de groep van Gianfranco Bertone en eerste auteur van de nieuwe publicatie, legt uit: “Met de huidige metingen kunnen we wat eigenschappen van de samensmeltende zwarte gaten achterhalen, maar heel weinig over de omgeving waarin het samensmelten plaatsvindt. Die omgeving is zelf ook enorm interessant.”

“We kunnen er bijvoorbeeld iets uit leren over een van de andere mysteries uit de moderne astrofysica: dat van de donkere materie. Zodra we met behulp van een toekomstige detector als LISA samensmeltende zwarte gaten veel langer waar kunnen nemen, wordt het mogelijk om zinvolle uitspraken te doen over hun omgeving.”

De omgeving van een zwart gat

Er bestaan ten minste drie verschillende soorten interessante omgevingen waarin zwarte gaten mogelijk voorkomen. De bekendste daarvan is een zogeheten accretieschijf: een schijf van heel heet gas die rond het zwarte gat wervelt, zoals recent ook gefotografeerd door de Event Horizon Telecope. Maar er zijn ook andere mogelijkheden.

Een zwart gat zou omringd kunnen zijn door een wolk van ultralichte deeltjes, die een structuur vormen die astronomen een zwaartekrachtatoom hebben genoemd.

Bij de foto: 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

En ten slotte zou er donkere materie kunnen zijn, een ongrijpbare vorm van materie die de kosmos op alle schalen lijkt te doordringen, maar waarvan de fundamentele aard nog altijd onbekend is. Donkere materie zou zich rond zwarte gaten moeten verzamelen, terwijl die ontstaan en groeien, en daar uiteindelijk in een hoge dichtheid moeten voorkomen – een configuratie die bekend staat als een spike, een piek.

Cole: “Het mooie is dat het met de nieuwe waarnemingen mogelijk wordt om onderscheid te maken tussen alle drie de situaties – en ze ook te onderscheiden van het geval waarin de achtertuin van het zwarte gat simpelweg leeg is; waarin de zwarte gaten in een vacuüm rond elkaar draaien. We zijn erin geslaagd statistische technieken te ontwikkelen die, als we maar genoeg data verzamelen en als het massaverschil tussen de zwarte gaten maar groot genoeg is, heel duidelijk het verschil tussen al die scenario’s laten zien.” 

Volgens Cole en haar collega’s zal de aanstaande generatie experimenten dus in staat zijn om zwaartekrachtgolven te herkennen die worden geproduceerd in een bepaalde achtergrond – of dat nu een accretieschijf, een graviationeel atoom of een piek van donkere materie is. Daarmee wordt het mogelijk om met behulp van zwaartekrachtgolven te zoeken daar nieuwe ultralichte deeltjes of donkere-materiekandidaten.

Bertone: “We leven in spannende tijden. We zullen snel een nieuw tijdperk in de natuur- en sterrenkunde binnentreden. Net zoals precisie-deeltjesfysica het mogelijk maakt om met deeltjesversnellers hier op aarde naar nieuwe natuurkunde te zoeken, zo zal precisie-zwaartekrachtsgolfastronomie het binnenkort mogelijk maken om op zoek te gaan naar donkere materie en nieuwe deeltjes in het heelal.”

Bron: Universiteit van Amsterdam