20 oktober 2017

Gravitatiegolven kunnen de geschiedenis van zwarte gaten onthullen

Weergave van een computersimulatie, waarbij het patroon van gravitatiegolven bij de samensmelting van twee zwarte gaten in beeld wordt gebracht.

Zwarte gaten zijn gebieden in het heelal waar de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs het licht er niet aan kan ontsnappen. Dat betekent dat relatief eenzame zwarte gaten werkelijk zwart zijn: ze zenden geen enkele vorm van straling uit (behalve dan misschien Hawkingstraling, maar dat valt buiten het kader van dit artikel). De meeste zwarte gaten zijn echter niet eenzaam: ze bevinden zich in drukke omgevingen, zoals de dichtbevolkte kern van een melkwegstelsel.

In zo’n omgeving kan een zwart gat in botsing komen met een ander massief object, zoals een ster of een ander zwart gat. Als dat gebeurt, raakt het zwarte gat vervormd. Dit resulteert in een nieuw soort straling: gravitatiegolven, feitelijk rimpels in het weefsel van ruimte en tijd. Deze golven bewegen met de lichtsnelheid maar zijn uiterst lastig te detecteren, ondanks het feit dat Einstein het bestaan ervan al een eeuw geleden voorspeld heeft.

Momenteel zijn wereldwijd detectoren voor gravitatiegolven in aanbouw, onder andere in de VS, Europa, Japan en India. Deze detectoren bestaan uit kilometers lange interferometers, die in staat zijn de rimpels in de ruimtetijd waar te nemen. Deze gravitatiegolven kunnen afkomstig zijn van zwarte gaten, maar bijvoorbeeld ook van botsende neutronensterren en witte dwergen. Opmerkelijk genoeg zijn de interferometers gevoelig voor hetzelfde frequentiebereik als hoorbare geluidsgolven, waardoor ze bijna letterlijk beschouwd kunnen worden als microfoons voor gravitatiegolven.

Als twee zwarte gaten in omloop zijn om elkaar, zenden ze beide gravitatiegolven uit waardoor ze energie verliezen. Uiteindelijk komen ze in botsing met elkaar, waarbij een nieuw, groter zwart gat wordt gevormd. Wat belangrijker is: het nieuwe zwarte gat zal aanvankelijk ernstig vervormd zijn. Als gevolg hiervan zend het gravitatiegolven in meerdere frequenties uit. Deze worden na verloop van tijd langzaam zwakker. Nu komt het mooie: wetenschappers hebben een nieuwe eigenschap van zwarte gaten ontdekt. Het blijkt namelijk dat de meerdere frequenties van de gravitatiegolven, en de mate waarop deze zwakker worden, ons meer kunnen vertellen over het verleden van het zwarte gat, zoals het kosmische verkeersongeluk waardoor het zwarte gat ontstaan is.

De frequentie van iedere toon en de tijdspanne waarop deze zwakker wordt, worden geacht slechts af te hangen van twee eigenschappen: de massa en de rotatie van het zwarte gat. Sterker nog, volgens de wetten van Einstein zijn dit de enige eigenschappen van een zwart gat. Alle overige informatie wordt vernietigd bij het ontstaan van het zwarte gat. (Overigens leert de quantummechanica ons iets heel anders, maar da’s weer een heel ander verhaal). Dit zou betekenen dat het detecteren van gravitatiegolven en het vaststellen van hun frequenties de wetenschap slechts twee dingen zou kunnen vertellen: de massa en de rotatie van het zwarte gat waarvan de golven afkomstig zijn.

Nu blijkt echter uit een reeks computersimulaties dat de verschillende tonen van een rinkelend zwart gat ons veel meer kunnen vertellen. Door de relatieve kracht van de verschillende tonen te vergelijken, is het niet alleen mogelijk om meer te weten te komen over het uiteindelijke zwarte gat, maar ook over de oorspronkelijke twee zwarte gaten die deelnamen aan de botsing/samensmelting. Dat betekent dat de details van de botsing en samensmelting worden ingeprent in de gravitatiegolven die afkomstig zijn van het vervormde zwarte gat. Door deze ontdekking kan men nog duidelijker bepalen wat het verband is tussen de groei van supermassieve zwarte gaten en de evolutie van sterrenstelsels.

Gesimuleerde detectie van gravitatiegolven door een interferometer, waarbij het spectrum van de golven zichtbaar is.

Bron: Daily Galaxy

Reacties

  1. Er zitten een aantal spelfouten in de laatste alinea. Verder een goed artikel 🙂

  2. Olaf van KootenOlaf van Kooten zegt:

    Bedankt voor de melding, ik had er helemaal overheen gekeken. Ze zijn nu (als het goed is) allemaal verbeterd.

  3. Als er al evolutie zou bestaan, wel ja. Helaas is de evolutie meer een geloof dan wetenschap. Zo bestaat er een ster met een ouderdom van 13,7 – 15 miljard jaar, terwijl de evolutie/big bang dat niet toelaat. Dus de sterrenstelsel hoeven niet te evolueren. We wachten op bewijs, dus noem eigenlijk ook even de andere theorie: het creationisme.

Laat wat van je horen

*