Wetenschappers detecteren de grootste fusie van zwarte gaten tot nu toe, met een massa van 225 keer die van de zon. "Op de grens van wat momenteel mogelijk is."

De internationale LIGO-Virgo-KAGRA (LVK)-samenwerking heeft de samensmelting gedetecteerd van de zwaarste zwarte gaten ooit waargenomen met behulp van zwaartekrachtgolven, met behulp van de door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) gefinancierde LIGO-observatoria. De krachtige samensmelting resulteerde in een uiteindelijk zwart gat met een massa die ongeveer 225 keer zo groot was als die van onze zon. Het signaal, aangeduid als GW231123, werd gedetecteerd tijdens de vierde waarnemingscyclus van het LVK-netwerk op 23 november 2023.

LIGO, het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, schreef in 2015 geschiedenis door voor het eerst zwaartekrachtgolven, rimpelingen in de ruimtetijd, rechtstreeks te detecteren. In dat geval waren de golven afkomstig van een samensmelting van zwarte gaten, wat resulteerde in een uiteindelijk zwart gat met een massa van 62 keer die van onze zon. Het signaal werd gezamenlijk gedetecteerd door LIGO's twee detectoren, één in Livingston, Louisiana, en de andere in Hanford, Washington.

Sindsdien heeft het LIGO-team zich aangesloten bij partners van de Virgo-detector in Italië en KAGRA (Kamioka Gravitational-Wave Detector) in Japan om de KLV Collaboration te vormen. Deze detectoren hebben gezamenlijk meer dan 200 samensmeltingen van zwarte gaten waargenomen in hun vierde analysecyclus, en ongeveer 300 in totaal sinds de start van de eerste cyclus in 2015.

Tot nu toe had de meest massieve samensmelting van zwarte gaten (geproduceerd door een gebeurtenis die plaatsvond in 2021 genaamd GW190521) een totale massa van 140 keer die van de zon. Bij de meest recente gebeurtenis, GW231123, ontstond het 225 zonsmassa's zware zwarte gat door de samensmelting van zwarte gaten, elk ongeveer 100 tot 140 keer de massa van de zon.

Naast hun hoge massa roteren zwarte gaten ook snel. "Dit is het zwaarste binaire zwarte-gatsysteem dat we met behulp van zwaartekrachtgolven hebben waargenomen en vormt een serieuze uitdaging voor ons begrip van de vorming van zwarte gaten", aldus Mark Hannam van Cardiff University en lid van de LVK Collaboration. "Zwarte gaten met deze massa zijn verboden in standaardmodellen van de sterevolutie. Een mogelijkheid is dat de twee zwarte gaten in dit dubbelstersysteem zijn ontstaan door eerdere fusies van kleinere zwarte gaten."

Dave Reitze, directeur van LIGO bij Caltech, legt uit: "Deze observatie toont opnieuw aan hoe zwaartekrachtgolven op unieke wijze de fundamentele en exotische aard van zwarte gaten in het heelal onthullen."

De hoge massa en extreem snelle rotatie van de zwarte gaten in GW231123 testen de grenzen van zowel de technologie voor zwaartekrachtgolfdetectie als de huidige theoretische modellen. Om nauwkeurige informatie uit het signaal te halen, waren modellen nodig die rekening hielden met de complexe dynamiek van snel roterende zwarte gaten.

"Zwarte gaten lijken erg snel te draaien, dicht bij de limiet die Einsteins algemene relativiteitstheorie toestaat ", legt Charlie Hoy van de Universiteit van Portsmouth (VK) en lid van de LVK uit. "Dit maakt het modelleren en interpreteren van het signaal lastig. Het is een uitstekende casestudy om onze theoretische hulpmiddelen verder te ontwikkelen."

Onderzoekers blijven hun analyses verfijnen en de modellen verbeteren die ze gebruiken om deze extreme gebeurtenissen te interpreteren. "Het zal jaren duren voordat de gemeenschap dit ingewikkelde patroon van signalen en alle implicaties ervan volledig heeft ontrafeld", bevestigt Gregorio Carullo van de Universiteit van Birmingham (Verenigd Koninkrijk) en lid van de LVK. "Hoewel de meest waarschijnlijke verklaring een samensmelting van zwarte gaten blijft, zouden complexere scenario's de sleutel kunnen vormen tot het ontcijferen van hun onverwachte kenmerken."

Zwaartekrachtgolfdetectoren zoals LIGO, Virgo en KAGRA zijn ontworpen om kleine vervormingen in de ruimtetijd te meten die worden veroorzaakt door heftige kosmische gebeurtenissen. De vierde observatiecyclus begon in mei 2023 en aanvullende observaties uit de eerste helft van de cyclus (tot en met januari 2024) zullen later deze zomer worden gepubliceerd.

"Dit evenement brengt onze mogelijkheden op het gebied van instrumentatie en data-analyse tot het uiterste ", zegt Sophie Bini, postdoctoraal onderzoeker aan Caltech en lid van de LVK. "Het is een krachtig voorbeeld van hoeveel we kunnen leren van zwaartekrachtgolfastronomie en hoeveel er nog te ontdekken valt."