Astronomen hoeven niet lang meer te wachten op hun eerste glimp van een van de grootste soorten vakbonden in de kosmos. Nieuw onderzoek gepubliceerd op 13 november in Natuurastronomie voorspelt dat zwaartekrachtsgolven die worden gegenereerd door de samensmelting van twee superzware zwarte gaten binnen 10 jaar zullen worden gedetecteerd. De studie is de eerste die echte gegevens gebruikt, in plaats van computersimulaties, om te voorspellen wanneer een dergelijke waarneming zal worden gedaan.

"De zwaartekrachtsgolven van deze superzware binaire fusies van zwarte gaten zijn de krachtigste in het universum, " zegt hoofdauteur Chiara Mingarelli, een research fellow bij het Center for Computational Astrophysics van het Flatiron Institute in New York City. "Ze doen de door LIGO gedetecteerde samensmeltingen van zwarte gaten absoluut in het niet vallen, " of de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, die in februari 2016 voor het eerst zwaartekrachtsgolven van botsende zwarte gaten detecteerde.

De detectie van een superzware samensmelting van zwarte gaten zou nieuwe inzichten bieden in hoe massieve sterrenstelsels en zwarte gaten evolueren, zegt Mingarelli. Een gebrek aan een dergelijke waarneming binnen het tijdsbestek van 10 jaar, anderzijds, zou een heroverweging nodig maken van de vraag of en hoe superzware zwarte gaten samensmelten, ze zegt.

Superzware zwarte gaten leven in het hart van grote sterrenstelsels, inclusief onze eigen Melkweg, en kan miljoenen of zelfs miljarden keren de massa van de zon zijn. Ter vergelijking, de samensmeltende zwarte gaten die tot dusver door zwaartekrachtsgolfdetectoren zijn gedetecteerd, waren slechts enkele tientallen keren zo zwaar als de zon.

Als twee sterrenstelsels botsen en samensmelten, hun superzware zwarte gaten drijven naar het centrum van de nieuw verenigde melkweg. Wetenschappers voorspellen dat de superzware zwarte gaten dan naar elkaar toe zullen dichtgroeien en na verloop van tijd zullen samensmelten. Dat samenzijn produceert intense zwaartekrachtsgolven die door het weefsel van ruimte en tijd rimpelen.

Hoewel die zwaartekrachtsgolven sterk zijn, ze liggen buiten de golflengten die momenteel waarneembaar zijn door lopende experimenten zoals LIGO en Maagd. De nieuwe jacht op zwaartekrachtsgolven gevormd door het samensmelten van superzware zwarte gaten zal in plaats daarvan gebruik maken van sterren die pulsars worden genoemd en die werken als kosmische metronomen. De snel draaiende sterren zenden een constant ritme van radiogolfpulsen uit. Terwijl passerende zwaartekrachtgolven de ruimte tussen de aarde en de pulsar uitrekken en samendrukken, het ritme verandert lichtjes. Die veranderingen worden vervolgens gevolgd door pulsar-watching-projecten op aarde.

Drie projecten lezen momenteel de timing van radiogolven die aankomen van nabijgelegen pulsars:de Parkes Pulsar Timing Array in Australië, Noord-Amerikaans Nanohertz-observatorium voor zwaartekrachtgolven en de Europese Pulsar Timing Array. Samen, het trio vormt de International Pulsar Timing Array.

Mingarelli en collega's schatten hoe lang die projecten zullen duren om hun eerste superzware fusie van zwarte gaten te ontdekken. Het team catalogiseerde nabijgelegen sterrenstelsels die mogelijk paren superzware zwarte gaten bevatten. De onderzoekers combineerden die informatie vervolgens met een kaart van nabijgelegen pulsars om - voor de eerste keer - de kans op definitieve detectie in de loop van de tijd te vinden.

"Als je rekening houdt met de posities van de pulsars aan de hemel, je hebt in principe 100 procent kans om iets te detecteren in 10 jaar, "zegt Mingarelli. "Waar het op neerkomt, is dat je gegarandeerd ten minste één lokaal superzwaar zwart-gat-binair getal selecteert."

Een verrassing van de resultaten was welke sterrenstelsels het meest waarschijnlijk de eerste glimp van de samensmelting van superzware zwarte gaten zullen bieden. Grotere sterrenstelsels betekenen grotere zwarte gaten en dus sterkere zwaartekrachtsgolven. Maar ook grotere zwarte gaten fuseren sneller, het verkleinen van het venster waarin zwaartekrachtsgolven kunnen worden gedetecteerd. Een samensmelting van een zwart gat in een enorm sterrenstelsel als M 87 zou 4 miljoen jaar lang detecteerbare zwaartekrachtsgolven opleveren. bijvoorbeeld, terwijl een meer bescheiden melkwegstelsel zoals de Sombrero Galaxy een venster van 160 miljoen jaar zou bieden.

Een succesvolle detectie zou astrofysici een beter begrip geven van de astrofysica in de harten van sterrenstelsels, Mingarelli zegt, en een nieuwe weg bieden om fundamentele fysica te bestuderen die op geen enkele andere manier toegankelijk is. Het aantal individuele superzware dubbelsterren van zwarte gaten biedt ook een maatstaf voor hoe vaak sterrenstelsels samensmelten, wat een belangrijke maatstaf is voor hoe het universum zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld.

Als er geen superzware samensmelting van zwarte gaten wordt gezien, het zou kunnen zijn omdat de zwarte gaten op ongeveer drie lichtjaar (of één parsec) scheiding blijven staan. Dit raadsel staat bekend als het Final Parsec-probleem. De twee zwarte gaten sluiten zich in de loop van de tijd geleidelijk aan naar elkaar toe, terwijl hun banen degraderen omdat er energie verloren gaat, waardoor zwaartekrachtgolven ontstaan. maar het proces kan langer duren dan de huidige leeftijd van het universum.

Of astronomen een samensmelting van superzware zwarte gaten zullen detecteren, "het zal hoe dan ook interessant zijn, ' zegt Mingarelli.