De revolutie in ons begrip van de nachtelijke hemel en onze plaats in het universum begon toen we in 1609 overstapten van het gebruik van het blote oog naar een telescoop. Vier eeuwen later, wetenschappers ervaren een soortgelijke overgang in hun kennis van zwarte gaten door te zoeken naar zwaartekrachtsgolven.

In de zoektocht naar voorheen onopgemerkte zwarte gaten die miljarden keren massiever zijn dan de zon, Stephen Taylor, assistent-professor natuurkunde en astronomie en voormalig astronoom bij NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) heeft samen met de Noord-Amerikaanse Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav)-samenwerking het onderzoeksgebied vooruit geholpen door de precieze locatie te vinden - het zwaartepunt van onze zonnestelsel - waarmee de zwaartekrachtsgolven kunnen worden gemeten die het bestaan ​​van deze zwarte gaten aangeven.

Het potentieel dat deze vooruitgang biedt, co-auteur van Taylor, werd gepubliceerd in het tijdschrift the Astrofysisch tijdschrift in april 2020.

Zwarte gaten zijn gebieden van pure zwaartekracht die zijn gevormd uit extreem kromgetrokken ruimtetijd. Het vinden van de meest gigantische zwarte gaten in het heelal die zich in het hart van sterrenstelsels bevinden, zal ons helpen begrijpen hoe dergelijke sterrenstelsels (inclusief de onze) zijn gegroeid en geëvolueerd gedurende de miljarden jaren sinds hun vorming. Deze zwarte gaten zijn ook ongeëvenaarde laboratoria voor het testen van fundamentele aannames over natuurkunde.

Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd die worden voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Als zwarte gaten in paren om elkaar heen draaien, ze stralen zwaartekrachtgolven uit die de ruimtetijd vervormen, uitrekken en knijpen ruimte. Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst gedetecteerd door de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in 2015, nieuwe vergezichten openen op de meest extreme objecten in het universum. Terwijl LIGO relatief korte zwaartekrachtsgolven waarneemt door te zoeken naar veranderingen in de vorm van een 4 km lange detector, NANOGrav, een National Science Foundation (NSF) Physics Frontiers Center, zoekt naar veranderingen in de vorm van ons hele melkwegstelsel.

Taylor en zijn team zoeken naar veranderingen in de aankomstsnelheid van regelmatige flitsen van radiogolven van pulsars. Deze pulsars zijn snel ronddraaiende neutronensterren, sommige gaan zo snel als een keukenmixer. Ze zenden ook bundels radiogolven uit, verschijnen als interstellaire vuurtorens wanneer deze stralen over de aarde strijken. Meer dan 15 jaar aan gegevens hebben aangetoond dat deze pulsars uiterst betrouwbaar zijn in hun pulsaankomstsnelheden, fungeren als uitstekende galactische klokken. Elke timingafwijking die in veel van deze pulsars gecorreleerd is, kan wijzen op de invloed van zwaartekrachtsgolven die onze melkweg vervormen.

"Met behulp van de pulsars die we in het hele Melkwegstelsel waarnemen, we proberen te zijn als een spin die in stilte in het midden van haar web zit, ", legt Taylor uit. "Hoe goed we het barycentrum van het zonnestelsel begrijpen, is van cruciaal belang als we proberen zelfs de kleinste tinteling in het web te voelen." zijn zwaartepunt, is de locatie waar de massa's van alle planeten, manen, en asteroïden balanceren uit.

Waar is het centrum van ons web, de locatie van absolute stilte in ons zonnestelsel? Niet in het centrum van de zon zoals velen misschien denken, het is eerder dichter bij het oppervlak van de ster. Dit komt door de massa van Jupiter en onze onvolmaakte kennis van zijn baan. Jupiter doet er 12 jaar over om om de zon te draaien, net verlegen van de 15 jaar dat NANOGrav gegevens verzamelt. JPL's Galileo-sonde (genoemd naar de beroemde wetenschapper die een telescoop gebruikte om de manen van Jupiter te observeren) bestudeerde Jupiter tussen 1995 en 2003, maar ervaren technische kwalen die de kwaliteit van de metingen tijdens de missie beïnvloedden.

Het identificeren van het zwaartepunt van het zonnestelsel is al lang berekend met gegevens van Doppler-tracking om een ​​schatting te krijgen van de locatie en banen van lichamen die rond de zon draaien. "Het addertje onder het gras is dat fouten in de massa's en banen zich zullen vertalen in pulsar-timing-artefacten die misschien wel op zwaartekrachtgolven lijken, " legt JPL-astronoom en co-auteur Joe Simon uit.

Taylor en zijn medewerkers ontdekten dat het werken met bestaande zonnestelselmodellen om NANOGrav-gegevens te analyseren inconsistente resultaten opleverde. "We hebben niets significants gedetecteerd in onze zoektochten naar zwaartekrachtgolven tussen modellen van het zonnestelsel, maar we kregen grote systematische verschillen in onze berekeningen, " merkt JPL-astronoom en hoofdauteur van het artikel Michele Vallisneri op. "Typisch, meer data levert een nauwkeuriger resultaat op, maar er was altijd een compensatie in onze berekeningen."

De groep besloot op zoek te gaan naar het zwaartepunt van het zonnestelsel en tegelijkertijd te speuren naar zwaartekrachtsgolven. De onderzoekers kregen meer robuuste antwoorden op het vinden van zwaartekrachtsgolven en waren in staat om het zwaartepunt van het zonnestelsel nauwkeuriger te lokaliseren tot op 100 meter afstand. Om die schaal te begrijpen, als de zon zo groot was als een voetbalveld, 100 meter zou de diameter van een haarlok zijn. "Onze nauwkeurige observatie van pulsars verspreid over de melkweg heeft ons beter gelokaliseerd in de kosmos dan ooit tevoren, "zei Taylor. "Door zwaartekrachtsgolven op deze manier te vinden, naast andere experimenten, krijgen we een meer holistisch overzicht van alle verschillende soorten zwarte gaten in het heelal."

Terwijl NANOGrav steeds meer overvloedige en nauwkeurige pulsar-timinggegevens verzamelt, astronomen zijn ervan overtuigd dat massieve zwarte gaten snel en ondubbelzinnig in de gegevens zullen verschijnen.