Onderzoekers uit Manitoba maken deel uit van team dat het mysterie van de grootste samensmelting van zwarte gaten ooit probeert te ontrafelen
Een groep onderzoekers uit Manitoba was achter de schermen betrokken bij een internationaal project dat deze week onthulde hoe twee enorme zwarte gaten op elkaar botsten – gelukkig maar, op miljarden lichtjaren afstand van de aarde.
Samar Safi-Harb, astrofysicus aan de Universiteit van Manitoba en hoogleraar Extreme Astrofysica aan Canada, werkt samen met haar team aan het LIGO-Virgo-KAGRA-programma, dat maandag bewijs publiceerde van wat Safi-Harb "het zwaarste binaire zwarte gat ooit gedetecteerd" noemt.
Een andere verrassing van de detectie, die oorspronkelijk in november 2023 werd gedaan, was de duizelingwekkende snelheid waarmee elk zwart gat draaide op het moment dat ze op elkaar botsten – "dicht bij de maximaal mogelijke [snelheid] die de theorie toestaat", aldus Safi-Harb, tevens hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Minnesota in Winnipeg.
"Ze zijn dus niet alleen enorm, ze draaien ook nog eens razendsnel – 400.000 keer sneller dan de aarde."
Haar team was niet direct betrokken bij deze detectie, maar ze maken wel deel uit van de gemeenschap van duizenden onderzoekers wereldwijd die betrokken zijn bij LIGO — het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, dat detectoren beheert in de staten Washington en Louisiana.
Het team bestaat uit Nathan Steinle, postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Minnesota, die gespecialiseerd is in de astrofysica van zwaartekrachtgolven en het modelleren van botsingen van zwarte gaten, terwijl postdoc Labani Mallick werkt aan elektromagnetische waarnemingen van zwarte gaten.
Neil Doerksen, promovendus bij Safi-Harb, richt zich op het verbeteren van de gevoeligheid van detectoren die worden gebruikt in technologie voor het detecteren van zwaartekrachtgolven, terwijl promovendus Lucas da Conceição werkt aan de detectie van zwaartekrachtgolven van neutronensterren.
Het bestuderen van wilde extremenAlle vijf onderzoeken ze extremen: extreme temperaturen, extreme zwaartekracht, extreme magnetische velden die astrofysische systemen vertonen.
Die gebeurtenissen hangen nu eenmaal samen met de dood van sterren, iets waar Safi-Harb gefascineerd door is, omdat ze ons kunnen vertellen waar alles vandaan komt.
Sterexplosies leiden tot de vorming van enkele van de zwaarste elementen in het universum: het calcium in je botten. Die gouden verlovingsring die je oma je heeft nagelaten. Het platina in de katalysator die uit de sedan van je vriend is gestolen. Het is allemaal ontstaan door een prachtige knal in het vacuüm van de ruimte.
De meest algemeen begrepen manier waarop zwarte gaten ontstaan, is door de ineenstorting wanneer een zware ster het einde van zijn leven bereikt. Zijn stellaire overblijfsel transformeert in een mysterieuze, ongelooflijk dichte massa materie, met een zwaartekracht die zo intens is dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen.
Dat maakt zwarte gaten feitelijk onzichtbaar voor conventionele lichttelescopen. Daarom hebben traditionele onderzoeken zich vooral gericht op de indirecte effecten die zwarte gaten op hun omgeving hebben.
Met röntgentelescopen kunnen wetenschappers bijvoorbeeld de aanwezigheid van een zwart gat vaststellen door de zwaartekrachteffecten ervan op nabijgelegen sterren te bestuderen, of door materialen zoals gas en stof te vinden die in schijven rond zwarte gaten worden gevormd.
Maar als het gaat om het opsporen van botsingen tussen zwarte gaten, zijn andere hulpmiddelen nodig.
LIGO is ontworpen om te zoeken naar zwaartekrachtgolven waarvan Albert Einstein het bestaan meer dan een eeuw geleden al voorspelde.
Einsteins algemene relativiteitstheorie stelde dat deze golven, die door de ruimtetijd rimpelen, worden veroorzaakt door de beweging van versnellende objecten. Grote, grote.
"Als je een steen of een blokje in een meer gooit, zie je die rimpelingen", zei Safi-Harb. "Een zwart gat is zo dicht dat het deze rimpelingen in de ruimtetijd veroorzaakt."
Als twee zwarte gaten om elkaar heen draaien en steeds dichter bij elkaar komen, versnellen ze, "en dat leidt tot heel sterke zwaartekrachtgolven", zei ze.
Einsteins voorspelling bleef tot tien jaar geleden theoretisch geworteld, toen wetenschappers er voor het eerst in slaagden om zwaartekrachtgolven te observeren via LIGO. Wetenschappers kennen nu 300 botsingen tussen zwarte gaten, aldus Safi-Harb.
De nieuwste, genaamd GW231123, is de grootste tot nu toe.
KIJK: Wetenschappers detecteren voor het eerst zwaartekrachtgolven (2016):
Het oorspronkelijke paar zwarte gaten had een massa die 100 tot 140 keer groter was dan die van onze zon. Het eindproduct van de samensmelting bedraagt ongeveer 225 zonsmassa's.
Dat klinkt enorm, en dat is het ook. Maar binnen het spectrum van zwarte gaten valt het ergens in het midden.
Er zijn drie klassen zwarte gaten, waaronder die in onze kosmische achtertuin, bekend als stellaire zwarte gaten. Ze kunnen wel 10 tot 60 keer zo zwaar zijn als onze zon.
Dan zijn er de superzware zwarte gaten. Ze bevinden zich in de centra van sterrenstelsels en kunnen miljoenen tot miljarden keren zwaarder zijn dan onze zon. Sommige hebben zelfs namen: het donkere hart van ons Melkwegstelsel staat bekend als Sagittarius A.
En de laatste jaren is er bewijsmateriaal opgedoken voor de derde klasse — zwarte gaten met een gemiddelde massa — die honderden tot duizenden zonnemassa's kunnen hebben, zoals GW231123 en de oorspronkelijke zwarte gaten waaruit het is ontstaan.
Het feit dat de ouders en GW231123 allemaal in de tussenzone vallen is spannend, maar ook een beetje verwarrend.
"Men denkt dat deze massa's 'verboden' zijn, of dat men niet verwacht dat ze zullen voorkomen, omdat de standaard stellaire evolutie de vorming van dergelijke zwarte gaten niet voorspelt", aldus Safi-Harb.
Het is mogelijk dat elk van deze ouder-zwarte gaten is ontstaan uit fusies van nog kleinere zwarte gaten, aldus Safi-Harb.
"Wat deze ontdekking ons leert, is dat we weten dat sommige kleinere zwarte gaten grotere zwarte gaten kunnen maken. Misschien botsen grotere zwarte gaten wel, waardoor nog grotere zwarte gaten ontstaan. En als deze zich in dichte omgevingen bevinden, kunnen ze dingen zoals ons sterrenstelsel maken," zei ze.
"Het gaat erom onze oorsprong te begrijpen, waar we vandaan komen."
Meer van CBC Manitoba:
cbc.ca
