Astrofysici van de Universiteit van Birmingham hebben vooruitgang geboekt bij het begrijpen van een sleutelmysterie van zwaartekrachtgolfastrofysica:hoe twee zwarte gaten samen kunnen komen en kunnen samensmelten.

Tijdens de eerste vier maanden van het nemen van gegevens, Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) heeft zwaartekrachtsgolven gedetecteerd van twee samensmeltingen van paren zwarte gaten, GW150914 en GW151226, samen met de statistisch minder significante fusiekandidaat voor zwarte gaten LVT151012.

De eerste bevestigde detectie van zwaartekrachtsgolven vond plaats op 14 september 2015 om 5.51 uur Eastern Daylight Time door beide dubbele LIGO-detectoren, gevestigd in Livingston, Louisiana, en Hanford, Washington, VS. Het bevestigde een belangrijke voorspelling van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein uit 1915 en opende een ongekend nieuw venster op de kosmos. Echter, we weten nog steeds niet hoe zulke paren van samensmeltende zwarte gaten ontstaan.

Een nieuw papier, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , beschrijft de resultaten van een onderzoek naar de vorming van zwaartekrachtsgolfbronnen met een nieuw ontwikkelde toolkit genaamd COMPAS (Compact Object Mergers:Population Astrophysics and Statistics).

Om ervoor te zorgen dat de zwarte gaten binnen de leeftijd van het heelal versmelten door zwaartekrachtgolven uit te zenden, ze moeten naar astronomische maatstaven heel dicht bij elkaar beginnen, niet meer dan ongeveer een vijfde van de afstand tussen de aarde en de zon. Echter, massieve sterren, welke de voorlopers zijn van de zwarte gaten die LIGO heeft waargenomen, in de loop van hun evolutie veel groter worden dan dit. De belangrijkste uitdaging, dan, is hoe je zulke grote sterren in een heel kleine baan kunt plaatsen. Er zijn verschillende mogelijke scenario's voorgesteld om dit aan te pakken.

De astrofysici uit Birmingham, samen met medewerker professor Selma de Mink van de Universiteit van Amsterdam, hebben aangetoond dat alle drie de waargenomen gebeurtenissen kunnen worden gevormd via hetzelfde formatiekanaal:geïsoleerde binaire evolutie via een gemeenschappelijke omhullende fase. Op dit kanaal, twee massieve stamvadersterren beginnen met vrij brede scheidingen. De sterren interageren terwijl ze uitdijen, deelnemen aan verschillende afleveringen van massaoverdracht. De laatste hiervan is typisch een gemeenschappelijke envelop - een zeer snelle, dynamisch onstabiele massaoverdracht die beide stellaire kernen omhult in een dichte wolk van waterstofgas. Het uitstoten van dit gas uit het systeem neemt energie weg uit de baan. Dit brengt de twee sterren voldoende dicht bij elkaar om de emissie van zwaartekrachtgolven efficiënt te laten verlopen. precies op het moment dat ze klein genoeg zijn dat een dergelijke nabijheid hen niet langer met elkaar in contact brengt. Het hele proces duurt een paar miljoen jaar om twee zwarte gaten te vormen, met een mogelijke daaropvolgende vertraging van miljarden jaren voordat de zwarte gaten samensmelten en een enkel zwart gat vormen.

De simulaties hebben het team ook geholpen om de typische eigenschappen van de sterren te begrijpen die zulke paren van samensmeltende zwarte gaten kunnen vormen en de omgevingen waar dit kan gebeuren. Bijvoorbeeld, het team concludeerde dat een samensmelting van twee zwarte gaten met aanzienlijk ongelijke massa's een sterke aanwijzing zou zijn dat de sterren bijna volledig uit waterstof en helium zijn gevormd, met andere elementen die minder dan 0,1% van de stellaire materie bijdragen (ter vergelijking:deze fractie is ongeveer 2% in de zon).

Eerste auteur Simon Stevenson, een promovendus aan de Universiteit van Birmingham, legde uit:"Het mooie van COMPAS is dat het ons in staat stelt om al onze waarnemingen te combineren en de puzzel samen te voegen over hoe deze zwarte gaten samenvloeien, het verzenden van deze rimpelingen in de ruimtetijd die we bij LIGO konden waarnemen."

Senior auteur professor Ilya Mandel voegde toe:"Dit werk maakt het mogelijk om een ​​soort 'paleontologie' voor zwaartekrachtsgolven na te streven. Een paleontoloog, die nog nooit een levende dinosaurus heeft gezien, kan uit zijn skeletresten achterhalen hoe de dinosaurus eruitzag en leefde. Op een soortgelijke manier, we kunnen de samensmeltingen van zwarte gaten analyseren, en gebruik deze waarnemingen om erachter te komen hoe die sterren met elkaar omgingen tijdens hun korte maar intense leven."