Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van het Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE) en de Universiteit van Aveiro toont aan dat de zwaarste botsing met een zwart gat ooit is waargenomen, geproduceerd door de zwaartekrachtgolf GW190521, misschien zelfs iets nog mysterieuzer:de fusie van twee bosonsterren. Dit zou het eerste bewijs zijn van het bestaan ​​van deze hypothetische objecten, die een kandidaat zijn voor donkere materie, waarvan wordt aangenomen dat het 27% van de massa in het universum omvat.

Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in het weefsel van ruimtetijd die met de snelheid van het licht reizen. Deze vinden hun oorsprong in de meest gewelddadige gebeurtenissen in het universum, met informatie over hun bronnen. sinds 2015 de twee LIGO-detectoren in de VS en de Virgo-detector in Cascina, Italië, zwaartekrachtgolven hebben gedetecteerd en geïnterpreteerd. Daten, deze detectoren hebben al zo'n 50 gravitatiegolfsignalen waargenomen. Deze zijn allemaal ontstaan ​​door de botsingen en versmeltingen van zwarte gaten en neutronensterren, waardoor natuurkundigen de kennis over deze objecten kunnen verdiepen.

Echter, de belofte van zwaartekrachtgolven gaat veel verder dan dit, aangezien deze ons uiteindelijk bewijs zouden moeten leveren voor voorheen onopgemerkte en zelfs onverwachte objecten, en licht werpen op actuele mysteries zoals de aard van donkere materie. Dit laatste mag, echter, zijn al gebeurd.

In september 2020, de samenwerking tussen LIGO en Maagd (LVC) kondigde aan de wereld het zwaartekrachtgolfsignaal GW190521 aan. Volgens hun analyse het signaal kwam overeen met de botsing van twee zware zwarte gaten, van 85 en 66 keer de massa van de zon, die een laatste zwart gat produceerde met 142 zonsmassa's. Het resulterende zwarte gat was de eerste van een nieuwe, voorheen niet-waargenomen zwarte gatenfamilie:zwarte gaten met gemiddelde massa. Deze ontdekking is van het grootste belang, als zodanig waren zwarte gaten de ontbrekende schakel tussen twee bekende families van zwarte gaten:stellaire zwarte gaten die ontstaan ​​door de ineenstorting van sterren, en superzware zwarte gaten die zich in het centrum van bijna elk sterrenstelsel bevinden, inclusief de Melkweg.

In aanvulling, deze observatie kwam met een enorme uitdaging. Als wat we denken te weten over hoe sterren leven en sterven juist is, het zwaarste van de botsende zwarte gaten (85 zonsmassa's) kon niet ontstaan ​​door de ineenstorting van een ster aan het einde van zijn leven, wat een scala aan twijfels en mogelijkheden oproept over de oorsprong ervan.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , een team van wetenschappers onder leiding van Dr. Juan Calderón Bustillo van het Galician Institute of High Energy Physics (IGFAE), gezamenlijk centrum van de Universiteit van Santiago de Compostela en Xunta de Galicia, en Dr. Nicolás Sanchis-Gual, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Aveiro en het Instituto Superior Técnico (Univ. Lisboa), samen met medewerkers van de Universiteit van Valencia, Monash University en de Chinese Universiteit van Hong Kong, heeft een alternatieve verklaring voorgesteld voor de oorsprong van het signaal GW190521:de botsing van twee exotische objecten die bekend staan ​​als bosonsterren, die een van de meest waarschijnlijke kandidaten zijn om donkere materie te verklaren. In hun analyse het team was in staat om de massa van een nieuw deeltjesbestanddeel van deze sterren te schatten, een ultralicht boson met een massa die miljarden keren kleiner is dan elektronen.

Het team vergeleek het GW190521-signaal met computersimulaties van boson-sterfusies, en ontdekten dat deze de gegevens eigenlijk iets beter verklaren dan de analyse uitgevoerd door LIGO en Virgo. Het resultaat impliceert dat de bron andere eigenschappen zou hebben dan eerder vermeld. Dr. Calderón Bustillo zegt:"Eerst, we zouden het niet meer hebben over botsende zwarte gaten, waardoor het probleem van het omgaan met een 'verboden' zwart gat wordt geëlimineerd. Tweede, omdat fusies van bosonsterren veel zwakker zijn, we concluderen een veel kleinere afstand dan die geschat door LIGO en Maagd. Dit leidt tot een veel grotere massa voor het uiteindelijke zwarte gat, van ongeveer 250 zonsmassa's, dus het feit dat we getuige zijn geweest van de vorming van een middelzwaar zwart gat blijft waar."

Dr. Nicolás Sanchis-Gual zegt:"Bosonsterren zijn objecten die bijna net zo compact zijn als zwarte gaten, maar in tegenstelling tot hen, geen 'no-return' oppervlak hebben. Als ze botsen, ze vormen een bosonster die onstabiel kan worden, uiteindelijk instorten tot een zwart gat, en het produceren van een signaal dat consistent is met wat LIGO en Maagd hebben waargenomen. In tegenstelling tot gewone sterren, die zijn gemaakt van wat we gewoonlijk kennen als materie, bosonsterren bestaan ​​uit wat we kennen als ultralichte bosonen. Deze bosonen zijn een van de meest aansprekende kandidaten voor het vormen van wat we kennen als donkere materie."

Het team ontdekte dat, hoewel de analyse de voorkeur geeft aan de hypothese van het samenvoegen van zwarte gaten, een boson-sterfusie heeft eigenlijk de voorkeur van de gegevens, hoewel op een niet overtuigende manier. Prof. Jose A. Font van de Universiteit van Valencia zegt:"Onze resultaten laten zien dat de twee scenario's bijna niet te onderscheiden zijn gezien de gegevens, hoewel de exotische bosonster-hypothese enigszins de voorkeur heeft. Dit is heel spannend, aangezien ons boson-stermodel is, vanaf nu, heel beperkt, en onderhevig aan grote verbeteringen. Een meer geëvolueerd model kan leiden tot nog groter bewijs voor dit scenario en zou ons ook in staat stellen eerdere waarnemingen van zwaartekrachtgolven te bestuderen onder de aanname van boson-sterfusie."

Dit resultaat omvat niet alleen de eerste waarneming van bosonsterren, maar ook die van hun bouwsteen, een nieuw deeltje dat bekend staat als een ultralicht boson. Prof. Carlos Herdeiro van de Universiteit van Aveiro zegt:"Een van de meest fascinerende resultaten is dat we de massa van dit vermeende nieuwe donkere-materiedeeltje kunnen meten, en dat een waarde van nul met grote zekerheid wordt verworpen. Indien bevestigd door latere analyse van deze en andere waarnemingen van zwaartekrachtgolven, ons resultaat zou het eerste waarnemingsbewijs opleveren voor een lang gezochte kandidaat voor donkere materie."