"Wiebelend zwart gat" meest extreme voorbeeld ooit gedetecteerd

Onderzoekers van de Universiteit van Cardiff hebben een eigenaardige draaiende beweging ontdekt in de banen van twee botsende zwarte gaten, een exotisch fenomeen dat werd voorspeld door de zwaartekrachttheorie van Einstein.

Bij de foto: Een gesimuleerd Zwart Gat van tien zonsmassa's gezien vanaf een afstand van 600 km met de Melkweg op de achtergrond. Afbeelding: Ute Kraus, natuurkunde-onderwijsgroep Kraus, Universität Hildesheim, Space Time Travel, (achtergrondafbeelding van de melkweg: Axel Mellinger) via Wikimedia, CC-BY-SA-2.0-DE

Hun studie, gepubliceerd in Nature en geleid door professor Mark Hannam, dr. Charlie Hoy en dr. Jonathan Thompson, meldt dat dit effect, bekend als precessie, voor het eerst is waargenomen bij zwarte gaten, waarbij de verdraaiing 10 miljard keer sneller verloopt dan bij eerdere waarnemingen.

Het binaire zwarte gatensysteem werd begin 2020 via zwaartekrachtgolven gevonden in de geavanceerde detectoren LIGO en Virgo. Een van de zwarte gaten, 40 keer massiever dan onze zon, is waarschijnlijk het snelst draaiende zwarte gat dat via gravitatiegolven is gevonden. En in tegenstelling tot alle eerdere waarnemingen vervormde het snel ronddraaiende zwarte gat ruimte en tijd zo sterk dat de hele baan van de binary heen en weer wiebelde.

Deze vorm van precessie is specifiek voor Einsteins algemene relativiteitstheorie. Deze resultaten bevestigen het bestaan ​​ervan in de meest extreme fysieke gebeurtenis die we kunnen waarnemen, de botsing van twee zwarte gaten.

"We hebben altijd gedacht dat binaire zwarte gaten dit kunnen", zegt professor Mark Hannam van het Gravity Exploration Institute van Cardiff University.

Een meer nuchter voorbeeld van precessie is het wiebelen van een tol, met een precessiebeweging van enkele seconden. Daarentegen is precessie in de algemene relativiteitstheorie meestal zo'n zwak effect dat het niet waarneembaar is. In het snelste voorbeeld dat eerder werd gemeten bij ronddraaiende neutronensterren (binaire pulsars) duurde het meer dan 75 jaar voordat de baan was voltooid. Het binaire zwarte-gat in deze studie, in de volksmond bekend als GW200129 (genoemd naar de datum waarop het werd waargenomen, 29 januari 2020), tolt meerdere keren per seconde - een effect dat 10 miljard keer sterker is dan eerder gemeten.

Dr. Jonathan Thompson, ook van Cardiff University, legt uit: "Het is een heel lastig effect om te identificeren. Zwaartekrachtgolven zijn extreem zwak en om ze te detecteren is het meest gevoelige meetapparaat in de geschiedenis nodig. De precessie is een nog zwakker effect begraven in het toch al zwakke signaal, dus we moesten een zorgvuldige analyse doen om het te ontdekken."

Einstein voorspelde zwaartekrachtsgolven in 1916. Als een gevolg van de samensmelting van twee zwarte gaten werden ze voor het eerst in 2015 direct gedetecteerd door de geavanceerde LIGO-instrumenten, een baanbrekende ontdekking die leidde tot de Nobelprijs in 2017. Astronomie met zwaartekrachtgolven is nu een van de meest levendige wetenschapsgebieden, met een netwerk van geavanceerde LIGO-, Virgo- en KAGRA-detectoren (*) in de VS, Europa en Japan. Tot op heden zijn er meer dan 80 detecties geweest, allemaal van samensmeltende zwarte gaten of neutronensterren.

"Tot nu toe draaien de meeste zwarte gaten die we hebben gevonden met zwaartekrachtgolven vrij langzaam", zei Dr. Charlie Hoy, een onderzoeker aan de Cardiff University tijdens deze studie, en nu aan de Universiteit van Portsmouth. “Het grotere zwarte gat in deze dubbelster, die ongeveer 40 keer massiever was dan de zon, draaide bijna zo snel als fysiek mogelijk was. Onze huidige modellen van hoe binaire bestanden zich vormen, suggereren dat deze uiterst zeldzaam was, misschien een gebeurtenis van één op duizend. Of het kan een teken zijn dat onze modellen moeten veranderen.”

Het internationale netwerk van zwaartekrachtgolfdetectoren wordt momenteel geüpgraded en zal in 2023 met de volgende zoektocht naar het universum beginnen. Ze zullen waarschijnlijk nog honderden zwarte gaten vinden die botsen en zullen wetenschappers vertellen of GW200129 een zeldzame uitzondering was of een teken dat ons universum is nog vreemder dan ze dachten.

Vertaler: Jan Vyvey
Bron: Cardiff University

(*)

https://nl.wikipedia.org/wiki/Virgo_(zwaartekrachtgolvendetector)
https://nl.wikipedia.org/wiki/LIGO
https://en.wikipedia.org/wiki/KAGRA (Engelstalig)