Voor al zijn enorme leegte, het heelal zoemt van activiteit in de vorm van zwaartekrachtsgolven. Geproduceerd door extreme astrofysische verschijnselen, deze weerkaatsingen rimpelen voort en schudden het weefsel van ruimte-tijd, als het geluid van een kosmische bel.

Nu hebben onderzoekers een signaal gedetecteerd van wat misschien wel de meest massieve samensmelting van zwarte gaten is die ooit in zwaartekrachtsgolven is waargenomen. Het product van de fusie is de eerste duidelijke detectie van een "intermediair-mass" zwart gat, met een massa tussen 100 en 1, 000 keer die van de zon.

Ze detecteerden het signaal, die ze GW190521 hebben genoemd, op 21 mei, 2019, met de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) van de National Science Foundation, een paar identieke, 4 kilometer lange interferometers in de Verenigde Staten; en Maagd, een 3 kilometer lange detector in Italië.

Het signaal, die lijkt op ongeveer vier korte wiebelen, is van zeer korte duur, minder dan een tiende van een seconde duren. Van wat de onderzoekers kunnen vertellen, GW190521 is gegenereerd door een bron die ongeveer 5 gigaparsec verwijderd is, toen het heelal ongeveer half zo oud was, waardoor het een van de meest afgelegen bronnen van zwaartekrachtgolven is die tot nu toe zijn gedetecteerd.

Wat betreft wat dit signaal veroorzaakte, gebaseerd op een krachtige suite van state-of-the-art computer- en modelleringstools, wetenschappers denken dat GW190521 hoogstwaarschijnlijk werd gegenereerd door een binaire fusie van zwarte gaten met ongebruikelijke eigenschappen.

Bijna elk bevestigd zwaartekrachtgolfsignaal tot nu toe is afkomstig van een binaire fusie, ofwel tussen twee zwarte gaten of twee neutronensterren. Deze nieuwste fusie lijkt de meest omvangrijke tot nu toe, met twee inspirerende zwarte gaten met massa's van ongeveer 85 en 66 keer de massa van de zon.

Het LIGO-Virgo-team heeft ook de spin van elk zwart gat gemeten en ontdekte dat naarmate de zwarte gaten steeds dichter bij elkaar cirkelden, ze hadden om hun eigen as kunnen draaien, onder hoeken die niet uitgelijnd waren met de as van hun baan. De verkeerd uitgelijnde spins van de zwarte gaten zorgden er waarschijnlijk voor dat hun banen wiebelden, of "precessie, ’ terwijl de twee Goliaths naar elkaar toe spiraalden.

Het nieuwe signaal vertegenwoordigt waarschijnlijk het moment waarop de twee zwarte gaten samensmolten. De fusie creëerde een nog massiever zwart gat, van ongeveer 142 zonsmassa's, en maakte een enorme hoeveelheid energie vrij, gelijk aan ongeveer 8 zonsmassa's, verspreid over het heelal in de vorm van zwaartekrachtgolven.

"Dit lijkt niet veel op een getjilp, dat is wat we meestal detecteren, " zegt Maagd-lid Nelson Christensen, een onderzoeker bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), het signaal te vergelijken met LIGO's eerste detectie van zwaartekrachtsgolven in 2015. "Dit lijkt meer op iets dat 'bang' gaat, ' en het is het meest massieve signaal dat LIGO en Maagd hebben gezien."

Het internationale team van wetenschappers, die deel uitmaken van de LIGO Scientific Collaboration (LSC) en de Virgo Collaboration, hebben hun bevindingen gerapporteerd in twee artikelen die vandaag zijn gepubliceerd. Een, verschijnen in Fysieke beoordelingsbrieven , details van de ontdekking, en de andere, in De astrofysische journaalbrieven , bespreekt de fysieke eigenschappen en astrofysische implicaties van het signaal.

"LIGO verrast ons opnieuw niet alleen met de detectie van zwarte gaten in moeilijk uit te leggen afmetingen, maar door het te doen met behulp van technieken die niet specifiek zijn ontworpen voor stellaire fusies, " zegt Pedro Marronetti, programmadirecteur voor zwaartekrachtfysica bij de National Science Foundation. "Dit is van enorm belang omdat het het vermogen van het instrument laat zien om signalen van volledig onvoorziene astrofysische gebeurtenissen te detecteren. LIGO laat zien dat het ook het onverwachte kan waarnemen."

In de massakloof

De uniek grote massa's van de twee inspirerende zwarte gaten, evenals het laatste zwarte gat, roepen een hele reeks vragen op over hun vorming.

Alle zwarte gaten die tot nu toe zijn waargenomen, passen in een van de twee categorieën:zwarte gaten met stellaire massa, die meten van enkele zonsmassa's tot tientallen zonsmassa's en waarvan wordt gedacht dat ze worden gevormd wanneer massieve sterren sterven; of superzware zwarte gaten, zoals die in het centrum van de Melkweg, die van honderdduizenden zijn, tot miljarden keren die van onze zon.

Echter, het laatste zwarte gat met 142 zonnemassa dat door de GW190521-fusie is geproduceerd, ligt binnen een tussenliggend massabereik tussen stellaire en superzware zwarte gaten - het eerste in zijn soort dat ooit is gedetecteerd.

De twee voorloper-zwarte gaten die het uiteindelijke zwarte gat produceerden, lijken ook uniek in hun grootte te zijn. Ze zijn zo massief dat wetenschappers vermoeden dat een of beide niet gevormd zijn uit een instortende ster, zoals de meeste zwarte gaten met stellaire massa doen.

Volgens de fysica van stellaire evolutie, uitwendige druk van de fotonen en het gas in de kern van een ster ondersteunen het tegen de zwaartekracht die naar binnen duwt, zodat de ster stabiel is, zoals de zon. Nadat de kern van een massieve ster kernen zo zwaar als ijzer samensmelt, het kan niet langer genoeg druk produceren om de buitenste lagen te ondersteunen. Wanneer deze uitgaande druk kleiner is dan de zwaartekracht, de ster bezwijkt onder zijn eigen gewicht, in een explosie die een kerninstorting supernova wordt genoemd, dat een zwart gat kan achterlaten.

Dit proces kan verklaren hoe sterren met een massa van 130 zonsmassa's zwarte gaten kunnen produceren met een massa tot 65 zonsmassa's. Maar voor zwaardere sterren, een fenomeen dat bekend staat als "paarinstabiliteit" zou optreden. Wanneer de fotonen van de kern extreem energetisch worden, ze kunnen veranderen in een elektron- en anti-elektronpaar. Deze paren genereren minder druk dan fotonen, waardoor de ster onstabiel wordt tegen instorting door de zwaartekracht, en de resulterende explosie is sterk genoeg om niets achter te laten. Nog meer massieve sterren, boven 200 zonsmassa's, zou uiteindelijk direct instorten in een zwart gat van minstens 120 zonsmassa's. Een instortende ster, dan, zou niet in staat moeten zijn om een ​​zwart gat tussen ongeveer 65 en 120 zonsmassa's te produceren - een bereik dat bekend staat als de 'pair instability mass gap'.

Maar nu, de zwaardere van de twee zwarte gaten die het GW190521-signaal produceerden, bij 85 zonsmassa's, is de eerste die tot nu toe is gedetecteerd binnen het paar instabiliteitsmassagat.

"Het feit dat we een zwart gat in deze massale kloof zien, zal veel astrofysici hun hoofd krabben en proberen te achterhalen hoe deze zwarte gaten zijn gemaakt, " zegt Christensen, die de directeur is van het Artemis-laboratorium van het observatorium van Nice in Frankrijk.

een mogelijkheid, die de onderzoekers in hun tweede paper beschouwen, is van een hiërarchische fusie, waarin de twee voorloper-zwarte gaten zelf kunnen zijn gevormd door het samensmelten van twee kleinere zwarte gaten, voordat ze samen migreren en uiteindelijk fuseren.

"Dit evenement roept meer vragen op dan antwoorden geeft, " zegt LIGO-lid Alan Weinstein, hoogleraar natuurkunde aan Caltech. "Vanuit het perspectief van ontdekking en natuurkunde, het is iets heel spannends."

"Iets onverwachts"

Er zijn nog veel vragen over GW190521.

Terwijl LIGO- en Virgo-detectoren luisteren naar zwaartekrachtsgolven die door de aarde gaan, geautomatiseerde zoekopdrachten kammen door de binnenkomende gegevens voor interessante signalen. Bij deze zoekopdrachten kunnen twee verschillende methoden worden gebruikt:algoritmen die specifieke golfpatronen uit de gegevens halen die mogelijk zijn geproduceerd door compacte binaire systemen; en meer algemene "burst"-zoekopdrachten, die in wezen op zoek zijn naar iets ongewoons.

LIGO-lid Salvatore Vitale, assistent-professor natuurkunde aan het MIT, vergelijkt compacte binaire zoekopdrachten met "een kam door gegevens halen, die dingen op een bepaalde afstand opvangt, " in tegenstelling tot burst-zoekopdrachten die meer een 'catch-all'-benadering zijn.

In het geval van GW190521, het was een burst-zoekopdracht die het signaal iets duidelijker oppikte, het openen van de zeer kleine kans dat de zwaartekrachtsgolven voortkwamen uit iets anders dan een binaire fusie.

"De lat om te beweren dat we iets nieuws hebben ontdekt, ligt erg hoog, Weinstein zegt. "Dus we passen meestal het scheermes van Occam toe:de eenvoudigere oplossing is de betere, wat in dit geval een binair zwart gat is."

Maar wat als iets geheel nieuws deze zwaartekrachtsgolven zou produceren? Het is een verleidelijk vooruitzicht, en in hun paper gaan de wetenschappers kort in op andere bronnen in het universum die mogelijk het signaal hebben geproduceerd dat ze hebben gedetecteerd. Bijvoorbeeld, misschien werden de zwaartekrachtsgolven uitgezonden door een instortende ster in onze melkweg. Het signaal kan ook afkomstig zijn van een kosmische reeks die is geproduceerd net nadat het universum in de vroegste momenten is opgeblazen - hoewel geen van deze exotische mogelijkheden overeenkomt met de gegevens en ook niet overeenkomt met een binaire fusie.

"Sinds we LIGO voor het eerst hebben ingeschakeld, alles wat we met vertrouwen hebben waargenomen was een botsing van zwarte gaten of neutronensterren, Weinstein zegt:"Dit is de enige gebeurtenis waarbij onze analyse de mogelijkheid toelaat dat deze gebeurtenis niet zo'n botsing is. Hoewel deze gebeurtenis consistent is met een uitzonderlijk massieve fusie van binaire zwarte gaten, en alternatieve verklaringen worden afgekeurd, het verlegt de grenzen van ons vertrouwen. En dat maakt het potentieel enorm spannend. Omdat we allemaal op iets nieuws hoopten, iets onverwachts, dat kan een uitdaging vormen voor wat we al hebben geleerd. Dit evenement heeft de potentie om dat te doen."