Leidse student krijgt 10 voor simulatie chaotische interacties drie zwarte gaten

Een simulatie van de banen van drie elkaar beïnvloedende zwarte gaten. Het linker plaatje toont het overzicht. Bij het rechter plaatje is ingezoomd. Het blauwe en rode zwarte gat smelten samen. (c) Boekholt et al.

De Leidse student Arend Moerman heeft voor zijn afstudeeronderzoek naar de simulatie van de chaotische interacties van drie zwarte gaten een tien gekregen. Uit de simulaties, die hij uitvoerde samen met begeleiders uit Leiden en Oxford, blijkt dat lichtere zwarte gaten elkaar meestal wegslingeren, terwijl zwaardere vooral samensmelten. Het onderzoek wordt gepubliceerd in het vooraanstaande vakblad Physical Review D.

De Leidse masterstudent sterrenkunde Arend Moerman deed een jaar lang onderzoek naar de dynamische interacties en botsingen tussen drie, fictieve zwarte gaten. De interacties tussen drie lichamen zoals sterren of planeten of zwarte gaten zijn niet met een elegante formule te voorspellen. Moerman gebruikte daarom een computer die steeds voor een korte tijdspanne uitrekent wat er gebeurt en daarna die uitkomst weer gebruikt voor de volgende tijdspanne.

Uitgebreid met relativiteitstheorie
De computercode is een uitbreiding van de code die eerste auteur Tjarda Boekholt (University of Oxford, Verenigd Koninkrijk) en mede-auteur Simon Portegies Zwart (Sterrewacht Leiden, Universiteit Leiden) in 2020 en 2018 gebruikten. De nieuwe, uitgebreide code houdt rekening met de relativiteitstheorie van Einstein. Dat is belangrijk omdat de relativiteitstheorie juist bij zware objecten zoals zwarte gaten, een grote rol speelt.

De onderzoekers varieerden de massa’s van de drie elkaar beïnvloedende zwarte gaten. Ze begonnen met één keer de massa van de zon en gingen tot een miljard keer de massa van de zon.

Omslagpunt

Rond de tien miljoen zonsmassa’s bleek er een omslagpunt te zijn. Zwarte gaten die lichter zijn dan ongeveer tien miljoen zonsmassa’s slingeren elkaar in de simulaties vooral weg. Zwarte gaten die zwaarder zijn dan zo’n tien miljoen zonsmassa’s gaan samensmelten. Eerst smelten twee zwarte gaten samen. Later volgt het derde zwarte gat. De zwarte gaten smelten samen omdat ze bewegingsenergie verliezen en dat komt weer doordat ze zwaartekrachtsgolven uitzenden.

“Het werk van Arend”, zegt Simon Portegies Zwart, “heeft geleidt tot een nieuwe inzichten in hoe zwarte gaten superzwaar worden. We zien in de simulaties dat zware zwarte gaten niet meer eindeloos om elkaar heen bewegen, maar dat ze, als ze voldoende zwaar zijn, nagenoeg direct op elkaar botsen.”

Moerman kreeg voor zijn afstudeeronderzoek een tien. Hij is inmiddels met een tweede afstudeeronderzoek begonnen. Dat gaat over DESHIMA, een Nederlands-Japanse spectroscoop op chipformaat.

Wetenschappelijk artikel

The relativistic Pythagorean three-body problem. Door: Tjarda C.N. Boekholt, Arend Moerman, Simon F. Portegies Zwart. Geaccepteerd voor publicatie in Physical Review D.

Origineel: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.104.083020

Gratis preprint: https://arxiv.org/abs/2109.07013

Bron: Astronomie.nl.

Vulkanische ‘activiteit’ in zwarte gaten blaast monumentale bellen van honderdduizenden lichtjaren

Een internationaal team van onderzoekers, waaronder astronomen van de Nederlandse Instituten voor Radioastronomie (ASTRON) en Ruimteonderzoek (SRON) en de Universiteit Leiden, observeerde voor het eerst de volledige omvang van de evolutie van heet gas geproduceerd door een actief zwart gat. Naarmate het evolueert, omvat het hete gas een veel groter gebied dan eerder werd gedacht en treft het zelfs objecten die zich op grote afstand bevinden. Hun studie is vandaag gepubliceerd in Nature Astronomy.

Hier zien we Nest200047, een structuur die de archeologische rijkdommen heeft onthuld die verband houden met honderd miljoen jaar zwarte gat-activiteit. Het zwarte gat bevindt zich in een melkwegstelsel in het midden van de afbeelding en wordt omringd door heldere plasmastralen die worden uitgestoten door zijn polen terwijl het de omringende materie aangroeit. Na verloop van tijd vormen deze jets bellen en filamenten die geleidelijk wegdrijven van hun oorsprong en alles op hun pad beïnvloeden. Dit onthult de uitgebreide impact die een zwart gat heeft, niet alleen op het sterrenstelsel waarin het zich bevindt, maar ook op een gigantisch gebied dat honderden andere sterrenstelsels en een heleboel ander materiaal kan bevatten.

Bubbels en filamenten
De bevindingen kwamen uit studies van Nest200047 – een verder onschuldige groep sterrenstelsels op ongeveer 200 miljoen lichtjaar afstand met in het centrum een spectaculair zwart gat in de melkweg. Het zwarte gat verzamelt actief alle omringende materie en laat daardoor krachtige deeltjesstromen vrij. Deze deeltjes hebben paren bellen en filamenten van heet gas gevormd die geleidelijk van het zwarte gat zijn weggedreven, afstanden van honderdduizenden lichtjaren hebben bereikt en inslaan op alles wat hen in de weg staat. Deze structuren die nu waarneembaar zijn, doen sterk denken aan de rookstromen die in de atmosfeer van de aarde worden geproduceerd door vulkaanuitbarstingen.

“Ons onderzoek laat zien hoe de door het zwarte gat versnelde gasbellen in de loop van de tijd uitzetten en transformeren. Ze creëren inderdaad spectaculaire paddestoelvormige structuren, ringen en filamenten die vergelijkbaar zijn met die afkomstig van een krachtige vulkaanuitbarsting op planeet Aarde”, stelt hij. Marisa Brienza (Universiteit van Bologna, Italiaans Nationaal Instituut voor Astrofysica INAF), die de studie leidde.

LOFAR en eROSITA
Timothy Shimwell (Nederlands Instituut voor Radioastronomie, ASTRON), medeauteur van het onderzoek, is enthousiast over het resultaat. “Al vele jaren proberen onderzoekers erachter te komen hoeveel van de omgeving een zwart gat kan beïnvloeden. De afbeeldingen die we van dit ongelooflijke systeem hebben gemaakt, laten zien dat het antwoord verbazingwekkend groot is. Het zwarte gat heeft niet alleen invloed op het gaststelsel, maar beïnvloedt in plaats daarvan een enorme intergalactische omgeving die honderden andere sterrenstelsels kan bevatten, en het zal aspecten beïnvloeden zoals de snelheid waarmee sterren in die sterrenstelsels worden gevormd.

Als een zwart gat de omringende materie opslokt, produceert het heldere en energieke bundels plasma aan zijn polen. Na verloop van tijd groeien deze stralen uit tot grote bellen en filamenten van heet gas die steeds verder van hun oorsprong afdrijven. Hier zien we links een jong object waar de stralen van materie nog dicht bij een centraal zwart gat zijn. Dit evolueert geleidelijk naar het object uiterst rechts, waar de bellen en filamenten zich honderdduizenden lichtjaren van hun oorsprong hebben verwijderd en alles op hun pad hebben geraakt. Bewijs voor dit evolutiepad werd ontdekt in Nest200047. Credit: Universiteit van Bologna.

Waarnemingen die dit onderzoek mogelijk maakten, zijn uitgevoerd door de Low Frequency Array (LOFAR) en de extended Roentgen Survey with an Imaging Telescope Array (eROSITA). LOFAR, met als middelpunt Nederland, is de grootste laagfrequente radiotelescoop ter wereld, en eROSITA is een ultramoderne ruimtetelescoop. Deze faciliteiten hebben onderzoekers in staat gesteld om “in de tijd te reizen” en getuige te zijn van een uitbarsting van een zwart gat meer dan 100 miljoen jaar geleden en de gevolgen ervan in kaart te brengen. Net zoals het bestuderen van artefacten van oude vulkaanuitbarstingen op aarde, zoals die in Pompei.

LOFAR blijkt een van ’s werelds meest productieve radiotelescopen te zijn. “Dit is weer een fantastische wetenschappelijke doorbraak die LOFAR mogelijk heeft gemaakt en het heeft een nieuwe weg geopend voor onderzoek dat actief zal worden nagestreefd”, zegt Huub Rottgering (Universiteit Leiden). Dit komt na substantiële en aanhoudende ontwikkelingsinspanningen, waarbij Reinout van Weeren (Universiteit Leiden) opmerkt dat “de technieken die nodig zijn om een baanbrekende telescoop zoals LOFAR volledig te exploiteren jaren nodig hebben om te ontwikkelen, en afhankelijk zijn van enkele van ’s lands grootste computerfaciliteiten om te werken, dus het behalen van dit soort resultaten is een enorme inspanning, maar wel een die zeer bevredigend is om er deel van uit te maken.”

Onderschrift video: Als een zwart gat de omringende materie opslokt, produceert het heldere en energieke bundels plasma aan zijn polen. Na verloop van tijd groeien deze stralen uit tot grote bellen en filamenten van heet gas die steeds verder van hun oorsprong afdrijven. Hier zien we voor het eerst op een jong object waar de bundels van materie nog dicht bij een centraal zwart gat zijn. Dit filmpje laat zien hoe dit geleidelijk evolueert totdat de bellen en filamenten honderdduizenden lichtjaren van hun oorsprong zijn verwijderd en alles op hun pad hebben geraakt. Bewijs voor dit evolutiepad werd ontdekt in Nest200047.

Wetenschappelijk artikel
“Een momentopname van de oudste AGN-feedbackfasen” gepubliceerd in Nature Astronomy. Het is het resultaat van een gezamenlijke inspanning van experts op het gebied van radio-, optische en röntgenastronomie van de Universiteit van Bologna, INAF, ASTRON, Leiden Observatory, Hamburger Sternwarte, Kazan University, Space Research Institute (IKI), Max Planck Institute for Astrophysics , Universiteit van Hertfordshire, SRON, Observatoire de Paris. Link naar artikel over natuurastronomie : https://www.nature.com/articles/s41550-021-01491-0
DOI: 10.1038/s41550-021-01491-0

Bron: ASTRON.

Van het zwarte gat M87* tussen 2009 en 2017 is een video gemaakt

Het zwarte gat M87*. Credit: EHT Collaboration.

Sterrenkundigen zijn er in geslaagd om van losse foto’s een video te maken van M87* (alias Powehi), het superzware zwarte gat in het elliptische sterrenstelsel M87. Van dat zwarte gat werd met de Event Horizon Telescope in 2017 al een foto gemaakt, de allereerste foto van een zwart gat, welke april 2019 werd gepubliceerd. Het superzware zwarte gat M87*, dat zo’n 6,5 miljard keer zo zwaar als de zon is, is met de EHT vanaf 2009 waargenomen. Men heeft nu al die gegevens opnieuw geanalyseerd en met een wiskundig model bekeken. Dat heeft onderstaande video opgeleverd, waarin duidelijk te zien is welke veranderingen er vlakbij het zwarte gat plaatsvonden tussen 2009 en 2017. Voortdurend stroomt er materie naar het zwarte gat en dat zorgt ervoor dat het licht in die maalstroom continu verandert.

Klikken voor de animatie. Credit: Event Horizon Telescope Collaboration; gif compiled by Nature.

Op 23 september werd een vakartikel over de waarnemingen aan M87* gepubliceerd in the Astrophysical Journal. Bron: Meson Stars.

ALMA en Hubble zien zware sterrenstelsels in het vroege heelal met een lege ‘brandstoftank’

De cluster MACSJ 0138 met daarom heen zwaartekrachtlezen. In die lenzen is één van de zes onderzochte stelsels te zien, de rode stip. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO), STScI, K. Whitaker et al

Ze worden in het Engels ‘quenched galaxies’ genoemd, sterrenstelsels die gestopt zijn met stervorming doordat ze niet beschikken over grote hoeveelheden koud waterstofgas, dé brandstof voor stervorming. Het vreemde is dat ze in het kader van het zogeheten REsolving QUIEscent Magnified galaxies at high redshift (REQUIEM) programma met de ALMA radiotelescoop in Chili én de Hubble ruimtetelescoop zes van die sterrenstelsels met een lege brandstoftank hebben ontdekt in het vroege heelal, zo’n drie miljard jaar na de oerknal. Dat is vreemd omdat je juist in dat vroege heelal heel veel brandstof verwacht, koud waterstofgas. Normaal gesproken zouden zelfs ALMA en Hubble de zes stelsels niet in detail hebben kunnen zien, maar dankzij de werking van tussen de aarde en de zes stelsels liggende clusters van sterrenstelsels die zorgden voor zwaartekrachtslenzen, kon men in de zes stelsels zien hoeveel de voorraad waterstof was. En die bleek er niet te zijn – de zes ‘dode’ sterrenstelsels hadden een lege brandstoftank.

Twee andere clusters van sterrenstelsels met in dhun zwaartekrachtlenzen enkele “quenched galaxies”. Credits: Image Processing: Joseph DePasquale (STScI)

Het kan zijn dat de stelsels geen toevoer meer hebben van ‘primordiaal’ waterstof, dat is waterstof uit de vroegste periode van het heelal. Maar wellicht dat superzware zwarte gaten in de centra van de stelsels verantwoordelijk zijn, doordat ze veel energie uitstralen en er voor zorgen dat het waterstof te heet is om sterren te vormen (juist koud waterstofgas is dé brandstof voor stervorming). Dat zorgt er dus voor de de brandstoftank met koude waterstof leeg blijft. De vraag is wel hoe het komt dat de stelsels in de eerste miljard jaar van hun bestaan pakweg 100 miljard sterren konden vormen en dat die stervorming plotseling stokte. En waarom bij hun wel en bij andere stelsels niet? Toekomstig onderzoek moet daar antwoord op geven. In Nature werd er een vakartikel aan gewijd. Bron: NASA + NRAO.

Eerste meting van zowel massa als spin van een middelbaar zwart gat

Deze afbeelding toont een lichtgevende strook materiaal van een ster die aan stukken wordt gescheurd terwijl hij door een superzwaar zwart gat wordt verorberd. Het verslindende zwarte gat is omringd door stof. Credit: NASA/JPL-Caltech

Sterrenkundigen hebben een fatale ontmoeting tussen een onfortuinlijke ster en een middelzwaar zwart gat bestudeerd. De röntgenflits die daaruit voortkwam geeft ze voor het eerst zowel de massa als de draaisnelheid van een middelzwaar zwart gat.
Hoewel zwarte gaten en peuters weinig gemeen lijken te hebben is er één opvallende overeenkomst: beiden zijn slordige eters, die overvloedig bewijs achterlaten dat er een maaltijd heeft plaatsgevonden.
Maar waar de een gevallen pasta of yoghurtspetters achterlaat, weet de ander een naspel van verbijsterende omvang teweeg te brengen. Wanneer een zwart gat een ster oppeuzelt produceert het wat sterrenkundigen een tidal disruption event noemen. Het verscheuren van de onfortuinlijke ster gaat vergezeld van een uitbarsting van straling die het licht van alle sterren in het gast-sterrenstelsel van het zwarte gat samen, maanden of zelfs jarenlang kan overtreffen.

In een publicatie in The Astrophysical Journal heeft een team sterrenkundigen geleid door Sixiang Wen, postdoc aan de University of Arizona Steward Observatory en vanaf 1 oktober werkzaam aan de Radboud Universiteit, gebruik gemaakt van de röntgenstralen uitgezonden door een tidal disruption event bekend onder de naam J2150 om de eerste metingen te doen aan zowel de massa als de draaisnelheid van het zwarte gat. Dit zwarte gat is van een specifiek type – een middelzwaar zwart gat – en het bewijs voor het bestaan van dit soort zwarte gaten is nog niet waterdicht.
“Het feit dat we in staat waren om dit zwarte gat te betrappen terwijl het een ster verorberde bleek een uitgelezen mogelijkheid om iets te observeren dat anders onzichtbaar zou zijn,” vertelt Ann Zabludoff, hoogleraar sterrenkunde aan de universiteit van Arizona en medeauteur van de publicatie. “Door de flits te analyseren krijgen we een beter begrip van deze ongrijpbare categorie zwarte gaten. ”

J2150 flits

Door de röntgendata van de J2150 flits opnieuw te analyseren en te vergelijken met nieuwe theoretische modellen konden de auteurs aantonen dat hij afkomstig was van een ontmoeting tussen een ongelukkige ster en een middelzwaar zwart gat. Het betreffende middelzware zwarte gat heeft een bijzonder kleine massa – althans, voor een zwart gat – van ongeveer 10.000 keer de massa van de zon.
“Uit de röntgenstraling van het binnenste deel van de schijf bestaande uit puin van de dode ster was het voor ons mogelijk om de massa en draaisnelheid van dit zwarte gat af te leiden en het zodoende als een middelzwaar zwart gat te classificeren,” legt Wen uit.
Tientallen tidal disruption events zijn gezien in de centra van grote sterrenstelsels die superzware zwarte gaten huizen, en een handjevol zijn ook waargenomen in de centra van kleine sterrenstelsels die mogelijk middelzware zwarte gaten bevatten. Eerdere data zijn echter nooit voldoende nauwkeurig geweest om te bewijzen dat een individueel tidal disruption event door een middelzwaar zwart gat werd uitgevoerd.
“Dankzij moderne astronomische waarnemingen weten we dat de centra van bijna alle sterrenstelsels van vergelijkbare grootte of groter dan de Melkweg superzware zwarte gaten herbergen,” vertelt medeauteur van het onderzoek Nicholas Stone, docent aan de Hebrew University in Jeruzalem. “Deze reuzen variëren in omvang van één miljoen tot tien miljard keer de massa van de zon, en ze vormen krachtige bronnen van elektromagnetische straling wanneer interstellair gas invalt.”
De massa van deze zwarte gaten correleert sterk met de totale massa van de stelsels waarin ze zitten; de grootste sterrenstelsels huizen de grootste superzware zwarte gaten.

Wanneer een ster te dicht bij een zwart gat komt, veroorzaakt de zwaartekracht intense getijdekrachten die de ster uiteen trekken, wat een catastrofaal verschijnsel tot gevolg heeft dat bekend staat als een tidal disruption event. Er komen overweldigende hoeveelheden energie vrij die ervoor zorgen dat deze tidal disruption in sommige gevallen zelfs het licht van de rest van zijn sterrenstelsel kan overtreffen. Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)

Zwarte gaten in kleinere sterrenstelsels

“We weten nog steeds erg weinig over het bestaan van zwarte gaten in de centra van stelsels kleiner dan ons Melkwegstelsel,” vertelt medeauteur Peter Jonker van Radboud Universiteit en SRON. “Door beperkingen in de waarnemingen is het erg uitdagend om centrale zwarte gaten te ontdekken die kleiner zijn dan één miljoen zonnemassa’s.”
Ondanks de veronderstelde overvloed van zwarte gaten blijft hun oorsprong onbekend. Volgens Jonker zijn er dan ook veel verschillende en rivaliserende theorieën die dit proberen te verklaren. Middelzware zwarte gaten zouden de kiemen kunnen zijn waaruit superzware zwarte gaten spruiten.
“Daarom kan een betere grip op de hoeveelheid middelzware zwarte gaten helpen bij het bepalen van welke theorieën over het ontstaan van superzware zwarte gaten kloppen,” licht hij toe.

Draaisnelheid

Nog spannender vindt Zabludoff de meting van de draaisnelheid, ook wel spin genoemd, van J2150 die de groep wist te verkrijgen. Deze spinmeting bevat hints over hoe zwarte gaten groeien, en mogelijk ook informatie voor deeltjesfysica. Dit zwarte gat heeft een hoge spin, maar niet de hoogst mogelijke spin, legt Zabludoff uit, wat de vraag opwerpt hoe het zwarte gat aan zijn spin komt.
“Het kan zijn dat het zwarte gat op deze manier gevormd is en de spin sindsdien amper meer veranderd is, of dat twee middelzware zwarte gaten onlangs tot deze zijn versmolten,” vertelt ze. “Wat we wel weten, is dat de spin die we gemeten hebben scenario’s uitsluit waarin het zwarte gat gedurende een lange tijd groeit door gestaag gas te consumeren of door veel snelle hapjes te nemen van gas uit willekeurige richtingen.”
Bovendien laat de spinmeting de astrofysici hypotheses testen over de aard van donkere materie, waarvan wordt gedacht dat deze goed is voor de meeste materie in het heelal. Donkere materie zou kunnen bestaan uit onbekende elementaire deeltjes die nog niet in laboratoriumexperimenten zijn waargenomen. Onder de kandidaten bevinden zich hypothetische deeltjes die ultralichte bosonen worden genoemd, legt Stone uit.
“Als deze deeltjes bestaan en massa hebben in een bepaald bereik, dan zullen ze voorkomen dat een middelzwaar zwart gat een snelle spin krijgt,” zegt hij. “Het zwarte gat van J2150 spint echter snel. Onze spinmeting sluit dus een reeks ultralichte boson-theorieën uit, wat de waarde aantoont van zwarte gaten als buitenaardse laboratoria voor deeltjesfysica.”
De auteurs hopen dat nieuwe waarnemingen van tidal disruption flares sterrenkundigen in de toekomst zouden kunnen helpen om tot een betere massaverdeling te komen van zwarte gaten.
“Als blijkt dat de meeste dwergsterrenstelsels middelzware zwarte gaten bevatten, dan zou dat betekenen dat de meeste tidal disruption events in zulke dwergstelsels voorkomen,” zegt Stone. “Door de röntgenstraling van deze flitsen aan theoretische modellen te fitten kunnen we een census houden van de middelzware zwarte gaten-populatie in het heelal,” voegt Wen toe.
Om dat te kunnen doen zullen echter meer tidal disruption events gevonden moeten worden. Dat is waarom sterrenkundigen uitkijken naar de nieuwe telescopen die binnenkort in bedrijf gaan, zowel op Aarde als in de ruimte, zoals de Chinese Einstein Probe satelliet waar ESA ook aan mee werkt. Bron: Radboud Universiteit.

Zwarte gaten kunnen druk uitoefenen op hun omgeving

Credit: CC0 Public Domain

Twee natuurkundigen van de Universiteit van Sussex hebben ontdekt dat zwarte gaten druk kunnen uitoefenen op hun omgeving. Het blijken objecten te zijn met een complex thermodynamisch systeem, dat niet alleen een bepaalde temperatuur heeft, maar ook een druk, een drukkracht per oppervlakte-eenheid zoals dat heet. Xavier Calmet en Folkert Kuipers zijn die natuurkundigen en ze kwamen er eigenlijk per toeval achter dat zwarte gaten ook druk kennen. Eind 2020 probeerden zij de entropie van zwarte gaten te berekenen, een onderwerp waar Stephen Hawking in 1974 al aan rekenende en waaruit toen naar voren kwam dat zwarte gaten straling hebben. Calmet en Kuipers waren aan de slag met berekeningen om de kwantumzwaartekracht te corrigeren en daarin kwam telkens een extra, onbekend figuur terug, dat ze Kerst vorig jaar herkenden als druk. Uiteindelijk bleek dat kwantumzwaartekracht kan leiden tot het uitoefenen van druk, ook al is die weliswaar klein (zoals ook de Hawkingstraling gering is). Het gaat in dit geval wel om zogeheten Schwarzschild zwarte gaten, dat wil zeggen zwarte gaten die niet roteren en geen lading hebben. Hier het vakartikel van Calmet en Kuipers, zoals gepubliceerd in Physical Review D. Bron: Phys.org.

Boekbespreking: Tussen twee oneindigheden

Van Gianfranco Bertone [1]Hoogleraar theoretische astrodeeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam en directeur van het European Consortium for Astroparticle Theory is deze week z’n tweede populairwetenschappelijke boek verschenen: Tussen twee oneindigheden – de aanstaande revolutie in ons begrip van de kosmos. In zijn boek, dat 184 pagina’s telt, neemt Bertone ons in een boeiende reis mee naar die twee uitersten in het heelal, naar het oneindig grote en naar het oneindig kleine. Om die reis te kunnen maken hoef je geen uitgebreide kennis te hebben van sterrenkunde of natuurkunde, want zonder gebruik te maken van technische details of wiskundige formules gidst Bertone ons heen en weer tussen de twee uitersten in het heelal. Hij doet dat zoals Dante Alighieri dat in de dertiende eeuw deed, met een reis naar steeds groter wordende ‘hemelen’ zoals in Dante’s ‘Paradijs’, én een reis naar de steeds kleiner wordende ‘kringen’, zoals in diens ‘Hel’. De theoretische kaders voor die reizen zijn in de twintigste eeuw al opgesteld: Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie voor het grote, de kwantumfysica voor het kleine. De wetenschappelijke methode vereist dat theorieën altijd gestaafd moeten worden met de waarnemingen en daarin zijn de laatste jaren veel vorderingen geboekt.

Impressie van botsende neutronensterren, die zwaartekrachtgolven genereren. Credit: University of Warwick/Mark Garlick.

Eeuwenlang keek de mens verwonderend naar boven en zag daar de zon, maan en sterren met alleen zijn gezichtsvermogen. Vanaf Galileï begin 17e eeuw zijn we de telescoop gaan gebruiken om die visuele waarnemingen te versterken en afgelopen honderd jaar zijn daar uitbreidingen op gekomen om ook de andere delen van het elektromagnetisch spectrum te ‘zien’, van de radiostraling tot aan de gammastraling. Maar ook dat is uitgebreid en wel door de zogeheten multimessenger-sterrenkunde, die sinds 2017 op gang is gekomen. Dat is de sterrenkunde die een combinatie is van waarnemingen in het EM-spectrum, aan de neutrino’s die vanuit de kosmos dwars door alles heen vliegen én van de zwaartekrachtgolven, rimpels in de ruimte, die veroorzaakt worden door extreme gebeurtenissen zoals botsende zwarte gaten of neutronensterren. Het theoretische raamwerk van de relativiteitstheorie en de kwantumfysica ziet Bertone als een kathedraal, maar duidelijk is dat die kosmologische kathedraal nog lang niet af is, dat ‘ie in de steigers staat en er nog veel werk te doen is om ‘m af te bouwen. De waarnemingen aan donkere materie, donkere energie en aan de oerknal in het verre en vroegste heelal (inclusief het probleem van de Hubble-spanning) maken duidelijk dat er nog veel zaken ontbreken in die kathedraal. Bertone is positief dat die multimessenger-sterrenkunde komende jaren veel kennis zal brengen over het mysterieuze donkere heelal. Hij schrijft helder over dat donkere heelal en schetst in optimistische taal hoe we mogelijk binnenkort al ‘de onthulling van enkele van de diepste en fascinerendste geheimen van de moderne wetenschap’ kunnen zien. Kortom: voor de geïnteresseerde leek aan aanrader om dit boek te lezen.

Tussen twee oneindigheden – Gianfranco Bertone, Uitgever New Scientist/Veen Media, € 24,99.

References[+]

References
1 Hoogleraar theoretische astrodeeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam en directeur van het European Consortium for Astroparticle Theory

Heino Falcke heeft de Amaldi Medal 2021 ontvangen

Heino Falcke. Credit: Radboud Universiteit Nijmegen

Prof. Dr. Heino Falcke heeft op 7 september de Amaldi Medal (European Prize for Gravitation) 2021 van de Italian Society on General Relativity and Gravitation (SIGRAV) ontvangen. Falcke ontvangt de prijs voor zijn uitzonderlijke bijdrage aan het zwaartekrachtonderzoek.

De prijs, bestaande uit een gouden medaille, is vernoemd naar Eduardo Amaldi, een Italiaans natuurkundige en mede-oprichter van CERN. De medaille wordt elke twee jaar uitgereikt aan een natuurkundige die een belangrijke bijdrage levert aan zwaartekrachtonderzoek in Europa. De eerste ontvanger van de medaille was nobelprijswinnaar Roger Penrose in 2004.

Prijzenregen
Heino Falcke combineert in zijn onderzoek theoretische, experimentele en observationele astronomie om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen. In 2000 stelde hij voor de schaduw van een zwart gat af te beelden en werd een van de grondleggers van het Event Horizon Telescope-consortium dat de eerste foto van een zwart gat publiceerde in 2019.

De Amaldi Medal is één van de vele prijzen die Heino Falcke de afgelopen jaren heeft ontvangen voor zijn onderzoek. Eerder dit jaar ontving hij al de Henry Draper Medal(verwijst naar een andere website) van de US National Academy of Sciences, de Robert M. Petrie Prize Lectureship van Canadian Astronomical Society en in 2020 ontving hij, samen met de gehele Event Horizon Telescope collaboration, de Breakthrough Prize(verwijst naar een andere website): ook wel de Oscar van de wetenschap genoemd. Bron: Radboud Universiteit.

Unieke detector heeft mogelijk twee zwaartekrachtgolven gedetecteerd van… donkere materie

Onderdelen van de ‘ bulk acoustic wave resonator’. Credit: Universiteit van West Australié.

Door 153 dagen achtereen te meten met een unieke detector die kwarts gebruikt om zwaartekrachtgolven te meten hebben onderzoekers van het ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics (CDM) en van de Universiteit van West Australië in 2019 twee gebeurtenissen gezien die mogelijk zwaartekrachtgolven zijn, die nooit eerder zijn gedetecteerd. Het gaat om zwaartekrachtgolven met een hoge frekwentie en die zouden geproduceerd kúnnen zijn door primordiale zwarte gaten – dat zijn zwarte gaten die ontstaan zijn tijdens de oerknal 13,8 miljard jaar geleden – of door wolken van donkere materie. De resultaten van die eerste onderzoeksfase gedaan met de ‘Bulk Acoustic Wave High Frequency Gravitational Wave Antenna‘ zijn deze maand in Physical Review Letters in dit vakartikel verschenen.

Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst in 2015 gedetecteerd en wel met de LIGO en later met de Virgo-detectoren. Maar die golven en ook de latere gedetecteerde golven waren lage frekwentie-golven, die veroorzaakt werden doordat zwarte gaten (of in een enkel geval neutronensterren) tegen elkaar botsten. Maar de ‘bulk acoustic wave resonator‘ (BAW), die gebruik maakt van een kwartskristal, kan ook hoge frekwentiegolven detecteren, die door andere bronnen worden geproduceerd, zoals de genoemde oer-zwarte gaten en wolken van donkere materie. Trillingen in de ruimte die de BAW passeren worden versterkt door een zogeheten superconducting quantum interference device (SQUID) [1]Ik had het in 2009 al een keertje over die SQUID’s. en die maakt het mogelijk om zeer minimale rimpels in de ruimte te detecteren. Men gaat nu verder onderzoeken of het echt zwaartekrachtgolven zijn die zijn waargenomen, want in theorie zou het ook om iets anders kunnen gaan, zoals trillingen veroorzaakt door een passerende meteoor of door de aanwezigheid van geladen deeltjes. Bron: Phys.org.

References[+]

References
1 Ik had het in 2009 al een keertje over die SQUID’s.

Heel wat superzware zwarte gaten dwalen rond door hun sterrenstelsel

Fragment uit de ROMULUS simulatie met vele ronddwalende superzware zwarte gaten in één sterrenstelsel. Credit: Ricarte et al, 2021

Ieder sterrenstelsel bevat een superzwaar zwart gat, dat miljoenen tot miljarden keer zo zwaar als de zon is – supermassive black hole (SMBH) worden ze in het Engels genoemd. We denken altijd dat die SMBH’s zich precies in het midden van hun sterrenstelsel bevinden en in het geval van bekende zwarte gaten zoals Sagittarius A* in de Melkweg en M87* (alias Powehi) in M87 is dat ook zo. Maar recent onderzoek laat zien dat sterrenstelsels meerdere SMBH’s kunnen bevatten en dat een deel van die SMBH’s niet precies in het centrum van hun stelsel staan, maar vrij ronddwalen in het stelsel. Dat een sterrenstelsel meerdere SMBH’s kan bevatten is logisch: sterrenstelsels ondergaan vaak botsingen met kleinere sterrenstelsels, die ook een SMBH in hun midden bevatten. Die botsingen leveren dus telkens nieuwe SMBH’s op. Angelo Ricarte (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) en z’n team hebben met de zogeheten ROMULUS code simulaties uitgevoerd van die botsingen en daaruit blijkt dat die extra SMBH’s vaak miljarden jaren blijven ronddwalen in het sterrenstelsel, in plaats van samen te smelten met de centrale SMBH. In het huidige heelal (13,8 miljard jaar na de oerknal) is zo’n 10% van de massa van SMBH’s te vinden in ronddwalende zwarte gaten, terwijl dat in het vroege heelal (zo’n 2 miljard jaar na de oerknal) zelfs het overgrote deel was. Ricarte en z’n team schreven er in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society dit vakartikel over. Bron: Phys.org.