Zwaartekrachtgolven: wanneer zwarte gaten samensmelten
Hoe ziet het eruit als zwarte gaten samensmelten?
Computersimulatie: twee samensmeltende zwarte gaten zenden zwaartekrachtgolven uit
Bron: Duits persbureau
Wetenschappers hebben een fenomeen waargenomen dat voor het eerst werd voorspeld door de algemene relativiteitstheorie. Ze waren in staat zwaartekrachtgolven op twee verschillende frequenties te meten, die werden uitgezonden toen twee zwarte gaten samensmolten.
WWanneer twee zwarte gaten samensmelten, zenden ze zwaartekrachtgolven uit. In 2015 werd het voor het eerst mogelijk om dergelijke golven te gebruiken LegoDetectoren kunnen in de VS worden geïnstalleerd. Het observeren van samensmeltingen van zwarte gaten via zwaartekrachtsgolven is nu een routinematige wetenschappelijke praktijk. Zo’n kosmische gebeurtenis wordt elke paar dagen geregistreerd.
De frequenties van zwaartekrachtgolven die door zeer gevoelige detectoren worden geregistreerd, liggen officieel in hetzelfde bereik als hoorbare geluidsgolven. Dit betekent niet dat zwaartekrachtgolven en geluidsgolven met elkaar verband houden. Dit zijn heel verschillende fysieke verschijnselen. Het geluid dat onze oren waarnemen, bestaat uit schommelingen in de dichtheid van de omringende lucht.
In een vacuüm, dat wil zeggen in de interstellaire ruimte van het universum, zijn er geen geluidsgolven. Zwaartekrachtgolven zijn op hun beurt kleine vervormingen in de structuur van de kosmische ruimte-tijd die zich vanuit hun oorspronkelijke plaats in alle richtingen voortplanten – en vervolgens de aarde raken.
Om dit uit te leggen, vertaalden astrofysici zwaartekrachtgolffrequenties naar audiosignalen in een computer. Op deze manier worden zwaartekrachtsgolven hoorbaar. Zo kun je overbrengen hoe de frequentie steeds sneller toeneemt naarmate je dichterbij komt en dan stopt het geluid plotseling. Dan is de samenvoeging voltooid. De samensmelting van twee zwarte gaten klinkt in deze metafoor als een “piepgeluid”.
Onderzoekers onderscheiden drie fasen: het naderen van zwarte gaten en hun baan. Doe dan de samenvoeging. En tot slot een fase genaamd “Ringdown”, waar het nieuw gecreëerde en aanvankelijk asymmetrische zwarte gat overgaat naar zijn uiteindelijke staat. Deze fase is veel korter dan de tweede.
Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Zwaartekrachtfysica (Albert Einstein InstituutAEI) in Hannover, meldden in het tijdschrift Physical Reviews dat ze voor het eerst een reeks van twee stille tonen hadden opgenomen tijdens het luiden van een zwart gat in de zwaartekrachtgolf GW190521.
Albert Einstein had gelijk
De frequenties waren 63 en 98 Hz, met verzwakkingstijden van respectievelijk 26 ms en 30 ms. Deze waarden passen perfect bij de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein over de samensmelting van deze twee zwarte gaten met hun specifieke massa en impulsmoment, die kunnen worden bepaald uit het CHIRP-signaal. De onderzoekers waren echter verrast.
“Deze waarneming – de ontdekking van twee verschillende oscillatiefrequenties van een vervormd zwart gat – is een welkome verrassing. Tot nu toe werd aangenomen dat dit alleen mogelijk zou zijn met de volgende generatie zwaartekrachtgolfdetectoren”, zegt Colin Capano, mede- De ontdekking van het dubbele geluid was alleen mogelijk omdat het zwarte gat dat zich in GW190521 vormde zo massief was.
Deze meting gaf onderzoekers een belangrijk idee over de ‘niet-haartheorie’ van zwarte gaten. De uit de algemene relativiteitstheorie afgeleide theorie stelt dat zwarte gaten volledig kunnen worden beschreven aan de hand van hun massa, impulsmoment en lading, en dat er geen aanvullende informatie over het zwarte gat bestaat – in het bijzonder dat het geen ‘haar’ op het oppervlak heeft. De ‘geen haar-theorie’ – en daarmee de relativiteitstheorie – werd bevestigd door de meting van GW190521.
De twee tonen in de beltoon vormden tevens het bewijs dat het uitgangspunt van GW190521 feitelijk de samensmelting van twee zwarte gaten was. Er waren twee alternatieve voorstellen. Daarom moet het buitengewone ‘tjilpen’ van GW190521 veroorzaakt zijn door de directe botsing van exotische sterren of de ineenstorting van een massieve ster tot een zwart gat. Dit kan nu worden uitgesloten.