13 juli 2024

‘Spectrale sirene’ van botsende zwarte gaten kan gebruikt worden om te kijken hoe snel het heelal uitdijt

Impressie van botsende zwarte gaten. Credit: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project

Het vraagstuk van hoe snel het heelal uitdijt is bekend en eerder hebben we het hier ook al eens gehad over de methode om zwaartekrachtgolven van botsende zwarte gaten te gebruiken als standaard-sirene, als een manier om exacte afstanden te achterhalen en daarmee te kijken hoe snel het heelal uitdijt. Dat was toen (2017) naar aanleiding van de kilonova van GW170817, die het gevolg was van twee neutronensterren die in NGC 4993 in het sterrenbeeld Hydra 130 miljoen jaar geleden tegen elkaar knalden en samensmolten en die daarmee gammaflits en kilonova GW170817 veroorzaakten. Nu zijn we vijf jaar verder en wat die expansiesnelheid van het heelal betreft nog steeds verwikkeld in een groot debat tussen sterrenkundigen, de Hubble spanning genaamd. Alle suggesties voor betere afstandsmetingen in het heelal zijn welkom en daarom kwamen twee sterrenkundigen van de Universiteit van Chicago recent met eemn nieuw voorstel: middels een techniek die ze de ‘spectrale sirene’ hebben gedoopt en die afwijkt van de eerder genoemde ‘standaard sirene’ denken ze de botsende zwarte gaten te kunnen gebruiken als calibratiemiddel om gericht afstanden te kunnen bepalen. Daniel Holz en Jose María Ezquiaga kijken daarbij naar de bevolking van zwarte gaten die al die zwaartekrachtsgolven veroorzaken als ze botsen en waarvan de LIGO en Virgo detectoren er sinds 2015 al meer dan honderd hebben waargenomen. Al die zwarte gaten zijn pakweg tussen de 5 en 40 zonsmassa zwaar (zie de illustratie hieronder).

De massa van alle botsingen van zwarte gaten in één overzicht. Credit: LIGO-Virgo/Aaron Geller/Northwestern

Als zo’n botsing en daarna samensmelting van twee zwarte gaten zwaartekrachtgolven creëert dan reizen die golven met de snelheid van het licht. Het duurt dus even lang voordat zwaartekrachtgolven ons bereiken als licht. En net als licht, worden de zwaartekrachtsgolven “roodverschoven” naarmate het universum uitdijt. Maar in plaats van de kleur te verschuiven zoals bij licht gebeurt, zorgt de verschuiving van de zwaartelrachtgolven ervoor dat de samensmelting ‘langzamer lijkt’, dat wil zeggen dat de samensmeltende zwarte gaten iets massiever lijken dan ze in werkelijkheid zijn. Als ze nu weten wat de absolute massa van die botsende zwarte gaten is (binnen die bandbreedte van 5-40 zonsmassa, het massaspectrum zoals ze het noemen) dan kunnen ze dus de botsingen als calibratiemethode gebruiken en daarmee als instrument om de afstand juist te meten. Daarbij willen ze botsingen van nabije zwarte gaten, die plaatsvinden in sterrenstelsels waarvan de afstand ook op andere manieren te meten is, vergelijken met botsingen van ver verwijderde zwarte gaten. Als je die dan weer vergelijkt dan krijg je een beeld van de snelheid waarmee het heelal uitdijt. Op dit moment worden nog te weinig zwaartekrachtgolven van botsende zwarte gaten gedetecteerd en is de methode van de spectrale sirene nog niet betrouwbaar, maar als dat aantal in detoekomst door toepassing van gevoeligere detectoren kan toenemen tot duizenden dan wordt het een betrouwbare methode, aldus Ezquiaga en Holz. Hier is het vakartikel over de spectrale sirene, verschenen in Physical Review Letters 129.6 (2022): 061102. Bron: Phys.org.

Share

Speak Your Mind

*