Wat gebeurt er als twee superzware zwarte gaten botsen? Door de waarnemingskracht van twee toekomstige ESA-missies te combineren, Athene en LISA, ons in staat zou stellen deze kosmische botsingen en hun mysterieuze nasleep voor de eerste keer te bestuderen.

Superzware zwarte gaten, met massa's variërend van miljoenen tot miljarden zonnen, zitten in de kern van de meeste massieve sterrenstelsels in het heelal. We weten niet precies hoe deze enorme, enorm dichte objecten vormden zich, noch wat een fractie van hen ertoe aanzet om de omringende materie met extreem hoge snelheden te verslinden, overvloedig uitstralend over het elektromagnetische spectrum en hun gastheerstelsels veranderen in 'actieve galactische kernen'.

Het aanpakken van deze open vragen in de moderne astrofysica is een van de hoofddoelen van twee toekomstige missies in het ruimtewetenschapsprogramma van ESA:Athena, de geavanceerde telescoop voor hoogenergetische astrofysica, en LISA, de Laser Interferometer Ruimte Antenne. Momenteel in de studiefase, beide missies zijn gepland voor lancering in de vroege jaren 2030.

"Athena en LISA zijn beide uitstekende missies om doorbraken te maken op veel gebieden van de astrofysica, " zegt Günther Hasinger, ESA-directeur Wetenschap.

"Maar er is één buitengewoon opwindend experiment dat we alleen zouden kunnen uitvoeren als beide missies minstens een paar jaar tegelijkertijd operationeel zijn:geluid naar de 'kosmische films' brengen door de samensmelting van superzware zwarte gaten zowel in röntgenstralen te observeren en zwaartekrachtsgolven.

"Met deze unieke kans om ongekende observaties uit te voeren van een van de meest fascinerende fenomenen in de kosmos, de synergie tussen Athena en LISA zou het wetenschappelijk rendement van beide missies aanzienlijk vergroten, zorgen voor Europees leiderschap in een belangrijke, nieuw onderzoeksgebied."

Athena wordt het grootste röntgenobservatorium ooit gebouwd, het onderzoeken van enkele van de heetste en meest energetische fenomenen in de kosmos met ongekende nauwkeurigheid en diepte.

Het is ontworpen om twee fundamentele vragen te beantwoorden:hoe superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels ontstaan ​​en evolueren, en hoe 'gewone' materie samenkomt, samen met de onzichtbare donkere materie, om het piekerige 'kosmische web' te vormen dat het heelal doordringt.

"Athena gaat enkele honderdduizenden zwarte gaten meten, van relatief dichtbij naar ver weg, het observeren van de röntgenstraling van de miljoen graden hete materie in hun omgeving, " zegt Matteo Guainazzi, Athena-onderzoeker bij ESA.

"We zijn vooral geïnteresseerd in de verste zwarte gaten, die gevormd zijn in de eerste paar honderd miljoen jaar van de geschiedenis van het heelal, en we hopen dat we eindelijk kunnen begrijpen hoe ze zijn ontstaan."

In de tussentijd, LISA wordt het eerste ruimteobservatorium van zwaartekrachtgolven - fluctuaties in het weefsel van de ruimtetijd die worden geproduceerd door de versnelling van kosmische objecten met zeer sterke zwaartekrachtvelden, als paren van samensmeltende zwarte gaten.

Astronomie met zwaartekrachtgolven, enkele jaren geleden geopend, is momenteel beperkt tot de hoogfrequente golven die kunnen worden onderzocht door grondgebaseerde experimenten zoals LIGO en Virgo. Deze experimenten zijn gevoelig voor het samensmelten van relatief kleine zwarte gaten - enkele tot enkele tientallen keren massiever dan de zon. LISA zal deze studies uitbreiden door laagfrequente zwaartekrachtgolven te detecteren, zoals degene die vrijkomen wanneer twee superzware zwarte gaten botsen tijdens een samensmelting van sterrenstelsels.

"LISA wordt de eerste missie in zijn soort, voornamelijk op zoek naar zwaartekrachtsgolven afkomstig van superzware zwarte gaten die tegen elkaar botsen, " legt Paul McNamara uit, LISA-onderzoeker bij ESA.

"Dit is een van de meest energetische fenomenen die we kennen, het vrijgeven van meer energie dan het hele rustige universum op enig moment doet. Als twee superzware zwarte gaten ergens in de kosmos samensmelten, LISA zal het zien."

De eerste paar zwaartekrachtsgolfgebeurtenissen die tussen 2015 en 2017 door LIGO en Virgo werden gedetecteerd, waren allemaal afkomstig van paren zwarte gaten met stellaire massa, waarvan bekend is dat ze bij samensmelten geen licht uitstralen. Vervolgens, in augustus 2017, zwaartekrachtsgolven afkomstig van een andere bron - de samensmelting van twee neutronensterren - werden ontdekt.

Deze keer, de zwaartekrachtsgolven werden vergezeld door straling over het elektromagnetische spectrum, gemakkelijk waargenomen met een groot aantal telescopen op aarde en in de ruimte. Door informatie van de verschillende soorten waarnemingen te combineren in een benadering die bekend staat als multi-messenger-astronomie, wetenschappers konden ingaan op de details van dit nooit eerder waargenomen fenomeen.

Met Athena en LISA samen, we zouden voor het eerst multi-messenger-astronomie kunnen toepassen op superzware zwarte gaten. Simulaties voorspellen dat hun fusies, in tegenstelling tot die van hun stellaire tegenhangers, zenden zowel zwaartekrachtsgolven als straling uit - de laatste afkomstig uit de hete, interstellair gas van de twee botsende sterrenstelsels die door het paar zwarte gaten worden geroerd wanneer ze naar elkaar toe vallen.

LISA zal de zwaartekrachtsgolven detecteren die worden uitgezonden door de spiraalvormige zwarte gaten ongeveer een maand voordat ze definitief samensmelten, wanneer ze nog steeds gescheiden zijn door een afstand die gelijk is aan meerdere keren hun stralen. Wetenschappers verwachten dat een fractie van de door LISA gevonden fusies, vooral die binnen afstanden van een paar miljard lichtjaren van ons, zal aanleiding geven tot een röntgensignaal dat uiteindelijk door Athena kan worden gezien.

"Als LISA voor het eerst een signaal detecteert, we weten nog niet waar het precies vandaan komt, omdat LISA een all-sky sensor is, dus het werkt meer als een microfoon dan als een telescoop, " legt Paulus uit.

"Echter, terwijl de zwarte gaten elkaar inspireren, de amplitude van hun zwaartekrachtgolfsignaal neemt toe. Dit, gekoppeld aan de beweging van de satellieten langs hun banen, zal LISA in staat stellen geleidelijk de lokalisatie van de bron in de lucht te verbeteren, tot het moment dat de zwarte gaten uiteindelijk samensmelten."

Enkele dagen voor de laatste fase van de fusie, de zwaartekrachtsgolfgegevens zullen de positie van de bron beperken tot een plek aan de hemel van ongeveer 10 vierkante graden - ongeveer 50 keer het gebied van de volle maan. Dit is nog vrij groot, maar zou Athena in staat stellen de lucht te scannen om te zoeken naar een röntgensignaal van deze titanische botsing. Simulaties geven aan dat de twee spiraalvormige zwarte gaten de beweging van het omringende gas moduleren, dus het is waarschijnlijk dat de röntgensignatuur een frequentie zal hebben die evenredig is aan die van het zwaartekrachtgolfsignaal.

Vervolgens, slechts een paar uur voor de laatste samensmelting van de zwarte gaten, LISA kan een veel nauwkeurigere indicatie geven in de lucht, ongeveer de grootte van het gezichtsveld van Athena's Wide Field Imager (WFI), zodat het röntgenobservatorium direct naar de bron kan wijzen.

"Het röntgensignaal opvangen voordat de zwarte gaten één worden, zal een hele uitdaging zijn, maar we zijn er vrij zeker van dat we een detectie kunnen doen tijdens en na de fusie, ", legt Matteo uit.

"We konden de opkomst van een nieuwe röntgenbron zien, en misschien getuige zijn van de geboorte van een actieve galactische kern, met stralen van hoogenergetische deeltjes die met bijna de lichtsnelheid boven en voorbij het nieuw gevormde zwarte gat worden gelanceerd."

We hebben nog nooit samensmeltende superzware zwarte gaten waargenomen - we hebben nog niet de faciliteiten voor dergelijke waarnemingen. Eerst, we hebben LISA nodig om de zwaartekrachtsgolven te detecteren en ons te vertellen waar we in de lucht moeten kijken; dan hebben we Athena nodig om het met hoge precisie in röntgenstralen te observeren om te zien hoe de machtige botsing het gas rond de zwarte gaten beïnvloedt. We kunnen theorie en simulaties gebruiken om te voorspellen wat er kan gebeuren, maar we moeten deze twee geweldige missies combineren om erachter te komen.

Deze maand honderd jaar geleden, op 29 mei 1919, waarnemingen van de posities van sterren tijdens een totale zonsverduistering leverden het eerste empirische bewijs van de zwaartekrachtafbuiging van licht die een paar jaar eerder was voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Deze historische zonsverduistering luidde een eeuw van zwaartekrachtexperimenten op aarde en in de ruimte in, het toneel vormen voor inspirerende missies zoals Athena en LISA, en nog meer spannende ontdekkingen.