Dit is het mysterieuze geluid van twee botsende zwarte gaten

Als twee zwarte gaten op elkaar knallen, ontstaat er niet alleen een zwaarder zwart gat. De asymmetrie in die kosmische botsing geeft het object ook een flinke ruk mee, waardoor het nieuwe zwarte gat wordt weggeschoten. Astronomen hebben die terugslag nu voor het eerst niet alleen in snelheid, maar ook in richting gemeten, enkel en alleen op basis van zwaartekrachtgolven.

De doorbraak komt van het zwaartekrachtgolfsignaal GW190412 uit 2019. Uit de trillingen in de ruimtetijd reconstrueren onderzoekers dat de ongelijke massa’s van de twee zwarte gaten het eindproduct een snelheid van meer dan 50 kilometer per seconde meegaven. Dat is snel genoeg om een zwart gat uit een dicht opeengepakte sterrenhoop te katapulteren. Of dat hier ook echt is gebeurd weten we niet: de botsing vond 2,4 miljard lichtjaar ver weg plaats en is met huidige telescopen niet haarscherp terug te zien. Maar áls het systeem in zo’n omgeving zat, dan is het zwarte gat vermoedelijk al onderweg naar buiten.

“Dit is een van de weinige fenomenen in de astrofysica waarbij we niet alleen iets detecteren, we reconstrueren de volledige driedimensionale beweging van een object dat miljarden lichtjaren ver weg is, uitsluitend met rimpelingen in de ruimtetijd”, zegt astrofysicus Koustav Chandra van Pennsylvania State University. “Het is een opmerkelijke demonstratie van wat zwaartekrachtgolven kunnen doen.”

Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd die ontstaan wanneer massieve objecten, zoals zwarte gaten, om elkaar heen spiralen en samensmelten. Sinds de eerste detectie tien jaar geleden hebben de detectoren LIGO, Virgo en KAGRA al honderden van dit soort botsingen opgevangen. Uit die signalen kun je normaal gesproken eigenschappen afleiden zoals de massa en draaiing van de twee oorspronkelijke zwarte gaten en van het uiteindelijke fusieobject. De nieuwe analyse gaat een stap verder door ook de terugslagvector – richting en grootte – uit het signaal af te leiden.

“Samensmeltingen van zwarte gaten kunnen worden begrepen als een superpositie van verschillende signalen, net zoals de muziek van een orkest overeenkomt met de combinatie van muziek die door veel verschillende instrumenten wordt gespeeld”, legt astrofysicus Juan Calderon-Bustillo uit. “Dit orkest is echter bijzonder: toehoorders die op verschillende plaatsen eromheen zitten, zullen verschillende combinaties van instrumenten horen, waardoor zij kunnen begrijpen waar zij zich precies ten opzichte daarvan bevinden.” Door die ‘meerstemmigheid’ slim te modelleren, kun je achterhalen hoe scheef de fusie was en welke schop het eindproduct meekreeg.

De gebeurtenis GW190412 was ideaal testmateriaal, omdat het om een sterk ongelijke dubbelster ging: één zwart gat woog ongeveer 29,7 zonsmassa’s, het andere slechts 8,4. Door dat grote massaverschil duurde het zwaartekrachtgolfsignaal relatief lang en zat het boordevol details, precies wat je nodig hebt om kleine asymmetrieën en dus de terugslag te meten. Op basis van een analysetechniek die al in 2018 werd voorgesteld – toen nog zonder geschikt signaal – konden onderzoekers nu zowel de hoek als de snelheid van de kick vaststellen.

Die informatie is niet alleen leuk voor de statistieken. De richting van de terugslag bepaalt ook of en hoe we eventueel lichtflitsen van zo’n fusie kunnen zien, bijvoorbeeld als een zwart gat door een dichte schijf rond een actief sterrenstelsel (AGN) ploegt. “Samensmeltingen van zwarte gaten in dichte omgevingen kunnen leiden tot detecteerbare elektromagnetische signalen, zogeheten flares, wanneer het overblijvende zwarte gat een dichte omgeving doorkruist, zoals de kern van een actief sterrenstelsel”, zegt astrofysicus Samson Leong van de Chinese University of Hong Kong. “Omdat de zichtbaarheid van de flare afhangt van de oriëntatie van de terugslag ten opzichte van de aarde, stelt het meten van de terugslagen ons in staat het onderscheid te maken tussen een echt paar van zwaartekrachtgolven en puur toeval.”

Bron: ScienceAlert