17 november 2017

Binnen tien jaar detectie zwaartekrachtgolven van superzware zwarte gaten dankzij pulsars

Voorstelling van samensmeltende zwarte gaten. Credit: SXS

Wetenschappers hebben tot nu toe vijf keer zwaartekrachtgolven ontdekt, passerende rimpels in de ruimtetijd, die in vier gevallen ontstaan waren voor botsende en samensmeltende zwarte gaten en één keer door samensmeltende neutronensterren. In een studie die vandaag in het blad Nature Astronomy gepubliceerd werd (en die hier volledig te lezen is) komen sterrenkundigen tot een voorspelling: binnen tien jaar heeft men de zwaartekrachtgolven gedetecteerd van botsende superzware zwarte gaten, van zwarte gaten die honderden miljoenen tot enkele miljarden keren zo zwaar als de zon zijn en die zich bevinden in de kernen van sterrenstelsels. De bronnen van de vijf gedetecteerde zwaartekrachtgolven waren allemaal stellair, dat wil zeggen dat  het zwarte gaten of neutronensterren betrof die ooit een zware, maar gewone ster waren geweest, hooguit tientallen keren zo zwaar als de zon. Net zoals paren van dergelijke zwarte gaten of neutronensterren om elkaar heen kunnen draaien en uiteindelijk samensmelten, zo kunnen de superzware zwarte gaten in de kernen van sterrenstelsels dat ook, als sterrenstelsels dicht bijeen elkaar in een gravitationele greep houden en geleidelijk dichterbij komen. Probleem is alleen dat een detector zoals het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) dergelijke zwaartekrachtsgolven niet kan zien, omdat hun frekwentie veel te laag is.

Het Sombrerostelsel, één van de sterrenstelsels waarvan de zwaartekrachtgolven van botsende superzware zwarte gaten zou kunnen worden waargenomen.

Om die te kunnen waarnemen is een andere techniek vereist en die denkt men komende jaren te kunnen toepassen, namelijk door het waarnemen van pulsars in een zogeheten Pulsar Timing Array. (PTA’s) Pulsars zijn zeer snel ronddraaiende neutronensterren, die naar twee kanten een bundel radiostraling uitzenden, waarvan er eentje naar de aarde is gericht. Omdat pulsars zeer snel ronddraaien en hun periode zeer constant en nauwkeurig te meten is kunnen ze uitstekend gebruikt worden als kosmische klokken. Met drie PTA’s worden tal van pulsars continu in de gaten gehouden, te weten de Parkes Pulsar Timing Array in Australia, de North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves en tenslotte de European Pulsar Timing Array.

Voorstelling van pulsars, die informatie opleveren over passerende zwaartekrachtgolven.

Komende jaren denkt men laagfrekwente (‘nanohertz’) zwaartekrachtgolven van om elkaar draaiende superzware zwarte gaten te kunnen detecteren en wel doordat deze zorgen voor een continue verandering van de periode van de pulsars. Onderzoek van de sterrenkundigen aan 5000 sterrenstelsels, die in de periode tussen 1997 en 2001 werden bestudeerd in het kader van de 2 Micron All-Sky Survey (2MASS) laat zien dat van die stelsels er negentig zijn die in hun kern binaire superzware zwarte gaten hebben wiens zwaartekrachtgolven kunnen worden gedetecteerd. Bron: NASA.

Reacties

  1. De detectie van zwaartekrachtgolven zou een mijlpaal in de ontwikkeling van de astronomie zijn, een nieuwe taal waarmee we een nieuwe bron van kennis aan zouden boren. Enz.. Het leek me een beetje overdreven, het verhaal werd ook weinig concreet. Veel verder dan een heel misschien iets meer te weten kunnen komen over de allereerste fase na de Bing Bang leek het niet te komen. En dan nu: wellicht gaan we waarnemen dat superzware zwarte gaten kunnen botsen. Vooral interessant voor mensen die denken dat ze dat niet kunnen. Ik denk dat ik iets niet goed begrijp, en twijfel over wat ik niet goed begrijp; het is of het hypen van wetenschap of het mogelijke astronomische nut van de detectie van zwaartekrachtgolven. Kan iemand me van mijn twijfel verlossen ?

  2. Wim, dankzij de detectie van de eerste vier zwaartekrachtsgolven weten we dat er zwarte gaten bestaan die enkele tientallen zonsmassa’s zwaar zijn. Dat is zwaarder dan we eerst dachten. Aan de hoeveelheid detecties blijkt het heelal een grote populatie van dergelijke zwarte gaten te hebben, iets wat sterrenkundigen enkele jaren terug niet konden denken. Dankzij de vijfde detectie van zwaartekrachtsgolven weten ze precies hoe de botsing van neutronensterren verloopt én kunnen ze de snelheid van de expansie van het heelal meten. Hoe concreet wil je ’t hebben? En dat ook superzware zwarte gaten kunnen botsen weten we wel in theorie, maar zwaartekrachtsgolven ervan hebben we nog niet gedetecteerd vanwege de lage frequentie ervan. Vandaar de opzet om die met PTA’s waar te nemen. Wat wordt daar gehyped aan? Ik snap het even niet.

    • Arie, wellicht moet ik beginnen met het feit dat ik geen natuurkundige achtergrond heb, maar eentje uit de sociale wetenschappen. Een Nobelprijs, ook die voor natuurkunde, bekijk ook vanuit een optiek die ook gericht is op de sociale dynamiek rond de besluitvorming. Als ik vaststel dat het zwaartekrachtgolf-team dat spel uitstekend heeft gespeeld is dat geen verwijt, maar bedoeld als een oprecht compliment. Maar dat neemt niet weg ik hun werk, in vergelijking met bijvoorbeeld het werk rond de de Higgs Boson, van een andere orde vind. Ik zie het vooral als stapjes op bekende paden; de toetsing van een voorspelling door een theorie die dat niet echt meer nodig had. De zin waarmee ik mijn eerste reactie begon, is gebaseerd op teksten die over de meting van de golven zijn geproduceerd. Leg dat nu eens naast de voorbeelden die je geeft over het nut van de detectie. Dat wringt toch wel een beetje. Als binnen 10 jaar blijkt dat de voorspellingen over een botsing van superzware kloppen, vraag ik me nog steeds af of ik dit als een mijlpaal zou moeten kwalificeren.

    • Ill Matilled zegt:

      En dan geduldig blijven en coherent, zinnig en met kennis van zaken reageren wat bijna komisch of beter gezegd kosmisch overkomt; veel respect daarvoor.

      M104 is natuurlijk een oude bekende en ook goed zichtbaar met betaalbaar apparatuur voor de amateur enthousiast (voor onder 400.- met “Go To” functie kan je het makkelijk vinden).

  3. Even voor de goede orde en mijn wereldbeeld, maar eh…
    die ontdekte zwaartekrachtsgolven is toch nog slechts ‘informatie’ die tot ons komt via fotonen(dragers van de electromagnetische kracht).
    We hebben toch immers nog geen gravitonen (dragers van de gravitatiekracht) ontdekt?

    [ Dus net zo als dat we bv geen Zwarte Gaten hebben gezien(!), maar wel hebben gedetecteerd “aan de hand van anders niet te verklaren verschijnselen”… 🙂 ]

    Misschien is dat wat Wim van Gogh bedoelt : wat we nu extra hebben bereikt, is (slechts) verkregen met slimme rekenkracht van computers. Terwijl ‘the God Particle’ daadwerkelijk een nieuw ontdekt deeltje is…?

    Paul

    • Nou Paul, je zal je wereldbeeld nog wat vreemder moeten laten worden, denk ik. Het idee is dat massa de ruimtetijd vervormt. En grote massa’s dat heel erg sterk kunnen doen. Gravitatiegolven zijn golfbewegingen in de ruimtetijd. Ze kunnen ontstaan door het om elkaar heen draaien van bijzonder zware objecten, zwarte gaten of neutronensterren, zoals die dat doen voor ze botsen. Als de golven in de ruimtetijd de aarde raken vervormt de aarde, minimaal en heel kort, maar alles wordt even een heel klein beetje korter. Dat je dat kan meten vind ik waanzinnig knap, maar of onze kennis van het heelal er nu Nobelprijs-waardig mee opschiet, ik zie het nog niet.
      Je opmerking over gravitonen raakt wel aan wat naar mijn smaak een pijnpunt is in de actuele astromie, namelijk dat we geen idee hebben wat zwaartekracht eigenlijk is. Je kan uitrekenen wat het doet, maar hoe het bijvoorbeeld kan dat massa de ruimtetijd vervormt is me een raadsel. ( Een ander leuk pijnpunt werd aangeraakt door een kind dat in een documentaire over zwarte gaten vroeg waarvan die eigenlijk gemaakt zijn. Geen idee, en dat is nog zo’n zwaartekracht-raadsel.)

      • EnceladusEnceladus zegt:

        Het lijkt mij dat zwarte gaten gemaakt zijn van materie, heel veel materie, onnoemelijk veel materie, opeen geklonterd op een manier die niet te beseffen is.

        Groet,
        Gert (Enceladus)

        • Die klontering gaat wel heel erg ver, de dichtheid van zo’n knots van een zwart gat gaat mijn voorstellingsvermogen ver te boven. Wellicht materie afgebroken tot het niveau van snaren ? ( Om een wat te roepen over iets waar ik weinig van begrijp.)

          • EnceladusEnceladus zegt:

            Onze taal voorziet niet in een manier om de toestand van materie in een zwart gaat te omschrijven, denk ik. Zou beste interessant zijn om een atoomfysicus daar eens over te horen: wat gebeurt er als materie tot in het extreme in elkaar wordt gedrukt. In wat voor toestand komen de deeltjes dan? Ik heb werkelijk geen idee.

            Groet,
            Gert (Enceladus)

Laat wat van je horen

*