De verwachtingen van de onderzoeksgemeenschap voor zwaartekrachtgolven zijn vervuld:ontdekkingen van zwaartekrachtgolven maken nu deel uit van hun dagelijkse werk, zoals ze in de afgelopen waarnemingsrun hebben vastgesteld, O3, nieuwe zwaartekrachtgolfkandidaten ongeveer een keer per week. Maar nu, de onderzoekers hebben een opmerkelijk signaal gepubliceerd dat anders is dan wat we eerder hebben gezien:GW190412 is de eerste waarneming van een binaire samensmelting van zwarte gaten waarbij de twee zwarte gaten duidelijk verschillende massa's hebben van ongeveer 8 tot 30 keer die van onze zon. Dit heeft niet alleen nauwkeurigere metingen van de astrofysische eigenschappen van het systeem mogelijk gemaakt, maar het heeft de LIGO/Maagd-wetenschappers ook in staat gesteld om een ​​tot nu toe niet-geteste voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie te verifiëren.

"Voor de allereerste keer hebben we in GW190412 het onmiskenbare gezoem van een zwaartekrachtgolf van een hogere harmonische, vergelijkbaar met boventonen van muziekinstrumenten, " legt Frank Ohme uit, leider van de onafhankelijke Max Planck Research Group "Binary Merger Observations and Numerical Relativity" aan het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica (Albert Einstein Instituut; AEI) in Hannover. "In systemen met ongelijke massa's zoals GW190412 - onze eerste waarneming van dit type - zijn deze boventonen in het zwaartekrachtgolfsignaal veel luider dan in onze gebruikelijke waarnemingen. Dit is waarom we ze eerder niet konden horen, maar in GW190412, eindelijk kunnen we." Deze observatie bevestigt nogmaals Einsteins algemene relativiteitstheorie, die het bestaan ​​van deze hogere harmonischen voorspelt, d.w.z. zwaartekrachtgolven met twee of drie keer de fundamentele frequentie die tot nu toe is waargenomen.

"De zwarte gaten in het hart van GW190412 hebben 8 en 30 keer de massa van onze zon, respectievelijk. Dit is het eerste binaire zwarte-gatsysteem dat we hebben waargenomen waarbij het verschil tussen de massa's van de twee zwarte gaten zo groot is!" zegt Roberto Cotesta, een doctoraat student in de afdeling "Astrophysical and Cosmological Relativity" aan de AEI in Potsdam. "Dit grote massaverschil betekent dat we verschillende eigenschappen van het systeem nauwkeuriger kunnen meten:de afstand tot ons, de hoek waarin we ernaar kijken, en hoe snel het zware zwarte gat om zijn as draait."

Een signaal als geen ander

GW190412 werd waargenomen door zowel LIGO-detectoren als de Maagd-detector op 12 april 2019, vroeg tijdens de derde waarnemingsrun van de detectoren O3. Uit analyses blijkt dat de fusie plaatsvond op een afstand van 1,9 tot 2,9 miljard lichtjaar van de aarde. Het nieuwe systeem van ongelijke massa is een unieke ontdekking, aangezien alle binaries die eerder door de LIGO- en Virgo-detectoren werden waargenomen, uit twee ruwweg vergelijkbare massa's bestonden.

Ongelijke massa's drukken zich af op het waargenomen zwaartekrachtgolfsignaal, die op hun beurt wetenschappers in staat stellen om bepaalde astrofysische eigenschappen van het systeem nauwkeuriger te meten. De aanwezigheid van hogere harmonischen maakt het mogelijk om een ​​dubbelzinnigheid tussen de afstand tot het systeem en de hoek waarin we kijken naar zijn baanvlak te doorbreken; daarom kunnen deze eigenschappen met hogere precisie worden gemeten dan in systemen met gelijke massa zonder hogere harmonischen.

"Tijdens O1 en O2 we hebben het topje van de ijsberg waargenomen van de binaire populatie bestaande uit zwarte gaten van stellaire massa, " zegt Alessandra Buonanno, directeur van de afdeling "Astrophysical and Cosmological Relativity" van de AEI in Potsdam en professor aan College Park aan de Universiteit van Maryland. "Dankzij de verbeterde gevoeligheid, GW190412 begint ons een meer divers, ondergedompelde bevolking, gekenmerkt door massa-asymmetrie zo groot als 4 en zwarte gaten die ronddraaien met ongeveer 40% van de mogelijke maximale waarde toegestaan ​​door de algemene relativiteitstheorie, " zij voegt toe.

AEI-onderzoekers hebben bijgedragen aan het detecteren en analyseren van GW190412. Ze hebben nauwkeurige modellen geleverd van de zwaartekrachtsgolven van samenvloeiende zwarte gaten, waaronder:Voor de eerste keer, zowel de precessie van de spins van de zwarte gaten als multipoolmomenten voorbij de dominante quadrupool. Die kenmerken die in de golfvorm zijn afgedrukt, waren cruciaal om unieke informatie over de eigenschappen van de bron te extraheren en testen van de algemene relativiteitstheorie uit te voeren. De krachtige computerclusters "Minerva" en "Hypatia" bij AEI Potsdam en "Holodeck" bij AEI Hannover hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan de analyse van het signaal.

De theorie van Einstein testen

Wetenschappers van LIGO/Virgo gebruikten ook GW190412 om te zoeken naar afwijkingen van de signalen van wat Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt. Hoewel het signaal eigenschappen heeft die anders zijn dan alle andere die tot nu toe zijn gevonden, de onderzoekers konden geen significante afwijking van de algemeen-relativistische voorspellingen vinden.

Een verbeterd internationaal netwerk van detectoren die gebruik maken van geperst licht

Deze ontdekking is de tweede die is gerapporteerd van de derde waarnemingsrun (O3) van het internationale zwaartekrachtgolfdetectornetwerk. Wetenschappers van de drie grote detectoren hebben verschillende technologische upgrades aan de instrumenten aangebracht.

"Tijdens O3, geperst licht werd gebruikt om de gevoeligheid van LIGO en Maagd te verbeteren. Deze techniek om de kwantummechanische eigenschappen van het laserlicht zorgvuldig af te stemmen, werd ontwikkeld door de Duits-Britse detector GEO600, " legt Karsten Danzmann uit, directeur van de AEI Hannover en directeur van het Institute for Gravitational Physics aan de Leibniz University Hannover. "De AEI leidt de wereldwijde inspanningen om de mate van knijpen, waardoor de gevoeligheid van de GEO600-detector al met een factor twee is verbeterd. Onze vooruitgang in deze technologie zal alle toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren ten goede komen."

Twee gedaan, 54 op de to-do lijst

Het detectornetwerk heeft waarschuwingen afgegeven voor 56 mogelijke zwaartekrachtgolfgebeurtenissen (kandidaten) in O3 (1 april). 2019 tot 27 maart 2020 met een onderbreking voor upgrades en inbedrijfstelling in oktober 2019). Van deze 56 een ander bevestigd signaal, GW190425, is al gepubliceerd. Wetenschappers van LIGO en Virgo onderzoeken alle resterende 54 kandidaten en zullen alle kandidaten publiceren waarvan gedetailleerde vervolganalyses hun astrofysische oorsprong bevestigen.

De waarneming van GW190412 betekent dat vergelijkbare systemen waarschijnlijk niet zo zeldzaam zijn als voorspeld door sommige modellen. Daarom, met aanvullende waarnemingen van zwaartekrachtgolven en groeiende evenementencatalogi in de toekomst, meer van dergelijke signalen zijn te verwachten. Elk van hen zou astronomen kunnen helpen beter te begrijpen hoe zwarte gaten en hun binaire systemen worden gevormd, en nieuw licht werpen op de fundamentele fysica van ruimte-tijd.