Wetenschap
Onderzoekers maken detectie van opmerkelijke zwaartekrachtgolfsignalen mogelijk
Onderzoekers van het Institute of Cosmology and Gravitation (ICG) van de Universiteit van Portsmouth hebben geholpen een opmerkelijk zwaartekrachtgolfsignaal te detecteren, dat de sleutel zou kunnen zijn tot het oplossen van een kosmisch mysterie.
De ontdekking is afkomstig uit de nieuwste reeks resultaten die zijn aangekondigd door de LIGO-Virgo-KAGRA-samenwerking, die bestaat uit meer dan 1.600 wetenschappers van over de hele wereld, waaronder leden van de ICG, die zwaartekrachtgolven willen detecteren en deze willen gebruiken voor onderzoek naar de fundamenten van wetenschap.
In mei 2023, kort na de start van de vierde LIGO-Virgo-KAGRA-waarnemingsrun, observeerde de LIGO Livingston-detector in Louisiana, VS, een zwaartekrachtgolfsignaal afkomstig van de botsing van wat hoogstwaarschijnlijk een neutronenster is met een compact object dat is 2,5 tot 4,5 keer de massa van onze zon.
Neutronensterren en zwarte gaten zijn beide compacte objecten, de dichte overblijfselen van enorme stellaire explosies. Wat dit signaal, GW230529 genaamd, intrigerend maakt, is de massa van het zwaardere object. Het valt binnen een mogelijke massakloof tussen de zwaarste bekende neutronensterren en de lichtste zwarte gaten. Het zwaartekrachtgolfsignaal alleen kan de aard van dit object niet onthullen. Toekomstige detecties van soortgelijke gebeurtenissen, vooral die welke gepaard gaan met uitbarstingen van elektromagnetische straling, zouden dit kunnen helpen oplossen.
‘Deze detectie, de eerste van onze opwindende resultaten van de vierde LIGO-Virgo-KAGRA-waarnemingsrun, laat zien dat er mogelijk meer vergelijkbare botsingen plaatsvinden tussen neutronensterren en zwarte gaten met een lage massa dan we eerder dachten’, zegt dr. Jess. McIver, assistent-professor aan de Universiteit van British Columbia en plaatsvervangend woordvoerder van de LIGO Scientific Collaboration.
Omdat deze gebeurtenis door slechts één zwaartekrachtgolfdetector werd waargenomen, wordt het moeilijker om te beoordelen of deze echt is of niet.
Dr. Gareth Cabourn Davies, een Research Software Engineer bij de ICG, ontwikkelde de tools die worden gebruikt om naar gebeurtenissen in één enkele detector te zoeken. Hij zei:"Het bevestigen van gebeurtenissen door ze in meerdere detectoren te zien, is een van onze krachtigste hulpmiddelen bij het scheiden van signalen van ruis. Door geschikte modellen van het achtergrondgeluid te gebruiken, kunnen we een gebeurtenis beoordelen, zelfs als we geen andere detector hebben om te ondersteunen. wat we hebben gezien."
Vóór de detectie van zwaartekrachtsgolven in 2015 werden de massa's van zwarte gaten met stellaire massa voornamelijk gevonden met behulp van röntgenwaarnemingen, terwijl de massa's van neutronensterren werden gevonden met behulp van radiowaarnemingen. De resulterende metingen vielen in twee verschillende bereiken, met een gat daartussen van ongeveer twee tot vijf keer de massa van onze zon. In de loop der jaren heeft een klein aantal metingen inbreuk gemaakt op de massakloof, waarover nog steeds veel discussie bestaat onder astrofysici.
Analyse van het signaal GW230529 laat zien dat het afkomstig is van de samensmelting van twee compacte objecten, één met een massa tussen 1,2 en 2,0 keer die van onze zon en de andere iets meer dan twee keer zo zwaar.
Hoewel het zwaartekrachtgolfsignaal niet voldoende informatie biedt om met zekerheid te bepalen of deze compacte objecten neutronensterren of zwarte gaten zijn, lijkt het waarschijnlijk dat het lichtere object een neutronenster is en het zwaardere object een zwart gat. Wetenschappers van de LIGO-Virgo-KAGRA-samenwerking zijn ervan overtuigd dat het zwaardere object zich binnen de massakloof bevindt.
Waarnemingen van zwaartekrachtgolven hebben nu bijna 200 metingen van de massa van compacte objecten opgeleverd. Hiervan kan bij slechts één andere fusie sprake zijn geweest van een compact object met een massakloof:het signaal GW190814 kwam van de fusie van een zwart gat met een compact object dat de massa van de zwaarste bekende neutronensterren overschreed en mogelijk binnen de massakloof lag.
P>‘Hoewel eerder bewijs voor mass-gap-objecten is gerapporteerd in zowel zwaartekracht- als elektromagnetische golven, is dit systeem vooral opwindend omdat het de eerste zwaartekrachtgolfdetectie is van een mass-gap-object gecombineerd met een neutronenster’, zegt dr. Sylvia Biscoveanu. van de Noordwestelijke Universiteit. "De observatie van dit systeem heeft belangrijke implicaties voor zowel theorieën over binaire evolutie als voor de elektromagnetische tegenhangers van de samensmelting van compacte objecten."
De vierde waarnemingsronde zal naar verwachting twintig maanden duren, inclusief een pauze van een paar maanden om onderhoud aan de detectoren uit te voeren en een aantal noodzakelijke verbeteringen aan te brengen. Op 16 januari 2024, toen de huidige breuk begon, waren in totaal 81 significante signaalkandidaten geïdentificeerd. GW230529 is de eerste hiervan die na gedetailleerd onderzoek wordt gepubliceerd.
De vierde waarnemingsrun wordt op 10 april 2024 hervat, waarbij de LIGO Hanford-, LIGO Livingston- en Virgo-detectoren samenwerken. De run zal doorgaan tot februari 2025, zonder verdere geplande pauzes in de waarneming.
Terwijl de observatierun doorgaat, analyseren LIGO-Virgo-KAGRA-onderzoekers de gegevens van de eerste helft van de run en controleren ze de resterende 80 significante signaalkandidaten die al zijn geïdentificeerd. Tegen het einde van de vierde waarnemingsronde in februari 2025 zou het totale aantal waargenomen zwaartekrachtgolfsignalen de 200 moeten overschrijden.
Er is een werkdocument gepubliceerd waarin de bevindingen worden beschreven, samen met een samenvatting.