Vier nieuwe zwaartekrachtgolven ontdekt in oude data

Zwaartekrachtgolven

Bij het doorspitten van oude metingen zijn nieuwe zwaartekrachtgolven gevonden van zwarte gaten die om elkaar heen draaien.

Twee zwarte gaten zenden zwaartekrachtgolven uit als ze om elkaar heen draaien. Illustratie LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

Er zijn vier nieuwe zwaartekrachtgolven boven water gekomen bij het nauwkeurig uitvlooien van anderhalf tot twee jaar oude metingen. Eerder vielen de signalen niet op: ze ‘verdronken’ in de ruis. De nieuwe analyse van gegevens van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) verschenen maandag in een wetenschappelijke publicatie op de preprint-site arXiv.

Een zwaartekrachtgolf is een kortstondige rimpeling in het vierdimensionale ‘weefsel’ van ruimte en tijd. Deze rimpelingen, die zich met de lichtsnelheid voortplanten, ontstaan bijvoorbeeld wanneer twee zwarte gaten met hoge snelheid om elkaar heen wentelen. Tegen de tijd dat deze rimpelingen de aarde bereiken, zijn ze bijna onmeetbaar zwak, en hun detectie vereist extreem gevoelige apparatuur.

De Amerikaanse LIGO-detectors – het zijn er twee – bestaan weliswaar al sinds 2002, maar waren tot 2015 niet gevoelig genoeg om de zwakke zwaartekrachtgolven uit het heelal te detecteren. De eerste zwaarkrachtgolf mat LIGO in september 2015. Deze ontdekking leverde in 2017 de Nobelprijs voor Natuurkunde op. In Italië staat sinds 2003 een vergelijkbare Europese detector, die sinds 2016 de vereiste gevoeligheid heeft.

Lees ook: Nobelprijs voor Natuurkunde gaat dit jaar naar de ontdekking van zwaartekrachtgolven

Verdronken in de ruis

De nu bekendgemaakte detecties, die allemaal plaatsvonden in 2017, kwamen aan het licht bij het nauwkeurig uitvlooien van de gegevens die de LIGO-detectors tussen 30 november 2016 en 25 augustus 2017 hebben verzameld. Met de destijds beschikbare middelen vielen de signalen niet op: ze ‘verdronken’ in de ruis. Met nieuwe, tijdrovende ruisonderdrukkingstechnieken zijn ze nu alsnog opgespoord. Naast de vier zekere detecties zijn ook nog veertien ‘marginale’ gevallen ontdekt: signalen die zo zwak zijn dat ze niet met zekerheid aan zwaartekrachtgolven kunnen worden toegeschreven.

Het meest bijzondere zekere geval is GW170729, die lijkt te zijn veroorzaakt door een botsing tussen twee zwarte gaten met een gezamenlijke massa van 85 zonsmassa’s. Deze speelde zich af in een sterrenstelsel op 9 miljard lichtjaar van de aarde. Bij de samensmelting van de twee objecten werd het energie-equivalent van vijf zonsmassa’s aan zwaartekrachtgolven uitgezonden. Het overgebleven zwarte gat moet dus een massa van 80 zonsmassa’s hebben. Daarmee is dit het zwaarste zwarte gat van stellaire oorsprong dat ooit is waargenomen – al is het maar indirect.

Ook vóórdat LIGO en Virgo bestonden, hebben astronomen van een vijftiental stellaire zwarte gaten de massa kunnen bepalen. Deze bevinden zich alle binnen onze eigen Melkweg en hebben een normale ster als begeleider. In zulke gevallen kan de massa van het zwarte gat worden ‘afgelezen’ aan de snelheid waarmee de ster eromheen cirkelt. De zwaarste van deze zwarte gaten hebben iets meer dan tien keer zoveel massa als de zon.

Hoe werken zwaartekrachtgolven? Bekijk deze uitlegvideo:

Zwarte gaten hebben niet alleen veel massa, ze zouden ook om hun as moeten kunnen wentelen. Tot nu toe was er echter pas in één geval rotatie waargenomen: bij GW151226. Maar met GW170729 lijkt zich een tweede, nog sterkere kandidaat te hebben aangediend. Dat bij de overige botsende zwarte gaten geen ‘spin’ is waargenomen, wil overigens niet per se zeggen dat ze ook werkelijk niet roteren. Mogelijk draaiden ze gewoon heel langzaam en/of tegengesteld aan elkaar: ook dat zou een spinwaarde van (bijna) nul geven.

Botsende objecten

Alles bij elkaar heeft LIGO, in vijf gevallen samen Virgo, sinds 2015 elf zekere uitbarstingen van zwaartekrachtgolven gedetecteerd. Bij GW170729 was de meeste massa betrokken. De ‘lichtste’ detectie tot nu is GW170817, die wordt toegeschreven aan het samensmelten van twee zogeheten neutronensterren die voor hun botsing ongeveer 1,5 en 1,3 keer zoveel massa hadden als de zon.

Opvallend aan het lijstje van bekende gevallen is dat er tussen de betrokken zwarte gaten maar eentje zit die zeker zwaarder was dan 40 zonsmassa’s. Dat kan erop wijzen dat bij een supernova-explosie – de gebeurtenis die aan de wieg staat van een zwart gat – domweg geen zwaardere zwarte gaten kunnen ontstaan. Mogelijk verlopen de explosies van de allerzwaarste sterren dermate heftig, dat de betrokken ster letterlijk aan flarden wordt gescheurd.

Ook is opmerkelijk dat de massa’s van de objecten die met elkaar in botsing komen in geen van de elf gevallen sterk van elkaar verschillen. Nog nooit zijn zwaartekrachtgolven geregistreerd van een botsing tussen een zwart gat en een ander zwart gat dat vijf of tien keer zoveel massa heeft. Of dit ook betekent dat zulke Asterix-en-Obelix-combinaties niet voorkomen in de natuur, of dat de huidige detectors die niet goed kunnen detecteren, zal nog moeten blijken.

Momenteel ondergaan LIGO en Virgo een grote onderhoudsbeurt. Vanaf het voorjaar van 2019 kijken ze weer uit naar nieuwe zwaartekrachtgolven – en nauwkeuriger dan ooit tevoren. Wellicht dat de nieuwe oogst aan gegeven de openstaande vragen kan helpen beantwoorden.

    • Eddy Echternach