Wetenschappers observeerden wat lijkt op een opgezwollen zwart gat dat verstrikt raakt in een meer gewoon gat. Het onderzoeksteam, waaronder natuurkundigen van de Universiteit van Maryland, ontdekte twee zwarte gaten die samensmolten, maar een van de zwarte gaten was 1 1/2 keer massiever dan ooit waargenomen bij een botsing van een zwart gat. De onderzoekers geloven dat het zwaardere zwarte gat in het paar het resultaat kan zijn van een eerdere fusie tussen twee zwarte gaten. Dit type hiërarchische combinatie van zwarte gaten is in het verleden verondersteld, maar de waargenomen gebeurtenis, gelabeld GW190521, zou het eerste bewijs zijn voor een dergelijke activiteit. De Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Scientific Collaboration (LSC) en Virgo Collaboration hebben de ontdekking aangekondigd in twee artikelen die op 2 september zijn gepubliceerd, 2020, in de tijdschriften Fysieke beoordelingsbrieven en Astrofysische journaalbrieven .

De wetenschappers identificeerden de samensmeltende zwarte gaten door de zwaartekrachtsgolven te detecteren - rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd - geproduceerd in de laatste momenten van de fusie. De zwaartekrachtsgolven van GW190521 werden gedetecteerd op 21 mei, 2019, door de dubbele LIGO-detectoren in Livingston, Louisiana, en Hanford, Washington, en de Maagd-detector in de buurt van Pisa, Italië.

"De massa van het grotere zwarte gat in het paar plaatst het in het bereik waar het onverwacht is door reguliere astrofysische processen, " zei Peter Shawhan, een professor in de natuurkunde aan de UMD, een hoofdonderzoeker van het LSC en de coördinator van de waarnemingswetenschap van het LSC. "Het lijkt te massief om te zijn gevormd uit een ingestorte ster, dat is waar zwarte gaten over het algemeen vandaan komen."

Het grotere zwarte gat in het samensmeltende paar heeft een massa die 85 keer groter is dan de zon. Een mogelijk scenario dat door de nieuwe artikelen wordt gesuggereerd, is dat het grotere object mogelijk het resultaat was van een eerdere samensmelting van een zwart gat in plaats van een enkele instortende ster. Volgens de huidige inzichten, sterren die geboorte kunnen geven aan zwarte gaten met een massa tussen 65 en 135 keer groter dan de zon, storten niet in als ze sterven. Daarom, we verwachten niet dat ze zwarte gaten zullen vormen.

"Vanaf het begin dit signaal, die slechts een tiende van een seconde lang is, daagde ons uit bij het identificeren van de oorsprong, " zei Alessandra Buonanno, een College Park-professor aan de UMD en een LSC-hoofdonderzoeker die ook een aanstelling heeft als directeur bij het Max Planck Institute for Gravitational Physics in Potsdam, Duitsland. "Maar, ondanks de korte duur, we waren in staat om het signaal af te stemmen op het signaal dat we verwachten van samensmeltingen van zwarte gaten, zoals voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein, en we realiseerden ons dat we getuige waren geweest, Voor de eerste keer, de geboorte van een middelzwaar zwart gat van een ouder van een zwart gat dat hoogstwaarschijnlijk is geboren uit een eerdere binaire fusie."

GW190521 is een van de drie recente ontdekkingen van zwaartekrachtgolven die het huidige begrip van zwarte gaten op de proef stellen en wetenschappers in staat stellen Einsteins algemene relativiteitstheorie op nieuwe manieren te testen. De andere twee gebeurtenissen omvatten de eerste waargenomen samensmelting van twee zwarte gaten met duidelijk ongelijke massa's en een samensmelting tussen een zwart gat en een mysterieus object, wat misschien wel het kleinste zwarte gat of de grootste neutronenster is die ooit is waargenomen. Een onderzoekspaper waarin dit laatste wordt beschreven, werd gepubliceerd in Astrofysische journaalbrieven op 23 juni, 2000, terwijl een paper over het voormalige evenement binnenkort zal worden gepubliceerd in Fysieke beoordeling D .

"Alle drie de gebeurtenissen zijn nieuw met massa's of massaverhoudingen die we nog nooit eerder hebben gezien, " zei Shawhan, die ook een fellow is van het Joint Space-Science Institute, een samenwerking tussen UMD en NASA's Goddard Space Flight Center. "Dus we leren niet alleen meer over zwarte gaten in het algemeen, maar vanwege deze nieuwe eigenschappen, we zijn in staat om effecten van de zwaartekracht rond deze compacte lichamen te zien die we nog niet eerder hebben gezien. Het geeft ons de kans om de algemene relativiteitstheorie op nieuwe manieren te testen."

Bijvoorbeeld, de algemene relativiteitstheorie voorspelt dat binaire systemen met duidelijk ongelijke massa's zwaartekrachtsgolven zullen produceren met hogere harmonischen, en dat is precies wat de wetenschappers voor het eerst konden waarnemen.

"Wat we bedoelen als we zeggen hogere harmonischen is als het verschil in geluid tussen een muzikaal duet met muzikanten die hetzelfde instrument bespelen versus verschillende instrumenten, " zei Buonanno, die de golfvormmodellen ontwikkelde om de harmonischen te observeren met haar LSC-groep. "Hoe meer substructuur en complexiteit het binaire bestanddeel heeft - bijvoorbeeld de massa's of spins van de zwarte gaten zijn anders - hoe rijker het spectrum van de uitgezonden straling."

Naast deze drie samensmeltingen van zwarte gaten en een eerder gerapporteerde samensmelting van binaire neutronensterren, de waarnemingsrun van april 2019 tot maart 2020 identificeerde 52 andere potentiële zwaartekrachtgolfgebeurtenissen. De gebeurtenissen werden geplaatst op een openbaar waarschuwingssysteem dat is ontwikkeld door LIGO en Virgo-samenwerkingsleden in een programma dat oorspronkelijk werd geleid door Shawhan, zodat andere wetenschappers en geïnteresseerde leden van het publiek de zwaartekrachtgolfsignalen kunnen evalueren.

"Er worden regelmatig zwaartekrachtgolfgebeurtenissen gedetecteerd, "Shahan zei, "En sommigen van hen blijken opmerkelijke eigenschappen te hebben die een uitbreiding vormen van wat we kunnen leren over astrofysica."