Het gebrul van zwaartekrachtgolven van samensmeltende superzware zwarte gaten is voor het eerst in het universum gehoord

Na 15 jaar gegevens te hebben verzameld in een experiment ter grootte van een melkwegstelsel, hebben wetenschappers voor het eerst het eeuwige koor van zwaartekrachtgolven ‘gehoord’ dat door het universum kabbelt – en het is luider dan verwacht.

De baanbrekende ontdekking werd gedaan door wetenschappers van het Noord-Amerikaanse Nanohertz Gravitational-Wave Observatory (NANOGrav) die sterren, pulsars genaamd, die fungeren als hemelmetronoom, nauwlettend in de gaten houden. De nieuw ontdekte zwaartekrachtgolven – rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd – zijn de krachtigste ooit gemeten: ze dragen bijna een miljoen keer zoveel energie als enkelvoudig gedetecteerde zwaartekrachtgolven van het samensmelten van zwarte gaten en neutronensterren. Door experimenten zoals LIGO en Maagd.

Nanograph-wetenschappers rapporteren in een reeks nieuwe artikelen die vandaag in Nanograph verschijnen Astrofysische dagboekbrieven.

zegt NANOGrav-wetenschapper Chiara Mingarelli, die aan de nieuwe bevindingen werkte toen ze assistent-onderzoeker was bij het Center for Computational Astrophysics (CCA) in New York City. “Dit is het allereerste bewijs van een achtergrond van zwaartekrachtgolven. We hebben een nieuw observatievenster voor het universum geopend.”

Het bestaan ​​en de vorming van achtergrondzwaartekrachtgolven – lang theoretisch maar ongehoord – biedt een schat aan nieuwe inzichten in lang bestaande vragen, van het lot van paren superzware zwarte gaten tot de frequentie van samensmeltingen van sterrenstelsels.

Voorlopig kan NANOGrav alleen de algehele zwaartekrachtgolfachtergrond meten in plaats van de straling van individuele ‘zangers’. Maar zelfs dit bracht verrassingen met zich mee.

“De zwaartekrachtgolfachtergrond is ongeveer twee keer zo hoog als ik had verwacht”, zegt Mingarelli, nu assistent-professor aan de Yale University. “Het zit echt aan de bovenkant van wat onze modellen kunnen creëren uit alleen superzware zwarte gaten.”

De oorverdovende omvang kan het gevolg zijn van experimentele beperkingen of zwaardere en meer overvloedige superzware zwarte gaten. Maar er is ook de mogelijkheid dat iets anders sterke zwaartekrachtgolven genereert, zegt Mingarelli, zoals mechanismen die worden voorspeld door de snaartheorie of alternatieve verklaringen voor het ontstaan ​​van het universum. “Wat het volgende is, is alles”, zegt ze. “Dit is slechts het begin.”

Een galaxy-brede ervaring

Het bereiken van dit punt is al jaren een uitdaging voor het NANOGrav-team. De zwaartekrachtgolven die ze opvangen, zijn anders dan eerder gemeten. In tegenstelling tot de hoogfrequente golven die worden gedetecteerd door op de grond gebaseerde instrumenten zoals LIGO en Virgo, bestaat de zwaartekrachtgolfachtergrond uit ultrahoogfrequente golven. Het stijgen en dalen van een golf kan jaren of zelfs decennia duren. Omdat zwaartekrachtsgolven met de snelheid van het licht reizen, kan een individuele golflengte tientallen lichtjaren bedragen.

Geen enkel experiment op aarde kon zulke enorme golven detecteren, dus keek het NANOGrav-team in plaats daarvan naar de sterren. Ze keken nauwlettend naar pulsars, de ultradichte overblijfselen van massieve sterren die supernova zijn geworden. Pulsars werken als stellaire bakens en schieten radiogolven uit hun magnetische polen. Omdat pulsars zo snel draaien (soms honderden keren per seconde), vegen die stralen door de lucht en verschijnen vanuit ons gezichtspunt op aarde als ritmische pulsen van radiogolven.

De pulsen raken de grond als een perfect getimede metronoom. De timing is zo nauwkeurig dat toen Jocelyn Bell in 1967 de eerste radiogolven mat, astronomen dachten dat het signalen van een buitenaardse beschaving zouden kunnen zijn.

Wanneer een zwaartekrachtgolf tussen ons en de pulsar passeert, verstoort dit de timing van de radiogolven. Dit komt omdat, zoals Albert Einstein voorspelde, zwaartekrachtgolven de ruimte uitrekken en samendrukken terwijl ze door het universum rimpelen, waardoor de afstand die radiogolven moeten afleggen verandert.

Al 15 jaar timen wetenschappers van NANOGrav uit de Verenigde Staten en Canada radiogolfpulsen van tientallen milliseconde pulsars in ons sterrenstelsel met behulp van het Arecibo Observatory in Puerto Rico, de Green Bank Telescope in West Virginia en de Very Large Array in New Mexico. De nieuwe bevindingen zijn het resultaat van een gedetailleerde analyse van een groep van 67 pulsars.

“Pulsars zijn eigenlijk heel zwakke radiobronnen, dus we hebben duizenden uren per jaar nodig op ’s werelds grootste telescopen om dit experiment te doen”, zegt Maura McLaughlin van West Virginia University, mededirecteur van het Physics Frontiers Nanograph Center. “Deze bevindingen zijn mogelijk gemaakt door de voortdurende toewijding van de National Science Foundation (NSF) aan deze zeer gevoelige radioobservatoria.”

Achtergrond detectie

In 2020, met iets meer dan 12 jaar aan gegevens, begonnen NANOGrav-wetenschappers hints van een signaal te zien, een extra “brom” die gebruikelijk is in het timinggedrag van alle pulsars in de array. Nu, na drie jaar van aanvullende waarnemingen, hebben ze tastbaar bewijs verzameld voor het bestaan ​​van de zwaartekrachtgolfachtergrond.

“Nu we bewijs hebben van zwaartekrachtgolven, is de volgende stap om onze waarnemingen te gebruiken om de bronnen te bestuderen die deze buzz produceren”, zegt Sarah Vigeland van de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee, voorzitter van de NANOGrav Detection Working Group.

De meest waarschijnlijke bronnen van zwaartekrachtgolfachtergrond zijn paren superzware zwarte gaten gevangen in een doodsspiraal. Deze zwarte gaten zijn echt enorm en bevatten miljarden massa van de zon. Bijna alle sterrenstelsels, inclusief onze eigen Melkweg, hebben minstens één gigantisch sterrenstelsel in hun kern. Wanneer twee sterrenstelsels samensmelten, kunnen superzware zwarte gaten elkaar ontmoeten en in een baan om elkaar heen beginnen te draaien. Na verloop van tijd worden hun banen smaller omdat gas en sterren tussen de zwarte gaten passeren en energie stelen.

Uiteindelijk komen superzware zwarte gaten zo dichtbij dat de energiediefstal stopt. Sommige theoretische studies beweren al tientallen jaren dat zwarte gaten vervolgens voor onbepaalde tijd crashen wanneer ze gescheiden zijn door een parsec (ongeveer drie lichtjaar) van elkaar. Deze nabijheid-maar-geen-sigaar-theorie staat bekend als het laatste parsec-probleem. In dit scenario leiden alleen zeldzame combinaties van drie of meer superzware zwarte gaten tot fusies.

Paren van superzware zwarte gaten kunnen echter een list in petto hebben. Ze kunnen energie uitzenden als krachtige zwaartekrachtgolven terwijl ze om elkaar heen draaien totdat ze uiteindelijk in een catastrofale conclusie botsen. “Als twee zwarte gaten eenmaal dichtbij genoeg komen om te worden gezien door pulsar-timingarrays, kan niets hen ervan weerhouden binnen slechts een paar miljoen jaar samen te smelten”, zegt Luke Kelley van de University of California, Berkeley, de leider van de astrofysicagroep van NANOGrav.

Het bestaan ​​van de zwaartekrachtgolfachtergrond gevonden door NANOGrav lijkt deze voorspelling te ondersteunen, wat het recente parsec-probleem zou kunnen stoppen.

Omdat paren van superzware zwarte gaten worden gevormd door samensmelting van sterrenstelsels, zal hun overvloed aan zwaartekrachtgolven kosmologen helpen in te schatten hoe vaak sterrenstelsels in de geschiedenis van het universum botsen. Mingarelli, postdoctoraal onderzoeker Deborah C. Judd van CCA en de Universiteit van Connecticut en collega’s bestudeerden de intensiteit van de zwaartekrachtgolfachtergrond. Ze schatten dat honderdduizenden of misschien wel een miljoen of meer superzware zwarte gaten binaries het universum bevolken.

alternatieve bronnen

Niet alle zwaartekrachtgolven die door NANOGrav worden gedetecteerd, zijn noodzakelijkerwijs afkomstig van paren superzware zwarte gaten. Andere theoretische voorstellen voorspellen ook golven in het zeer lage frequentiebereik. De snaartheorie voorspelt bijvoorbeeld dat eendimensionale breuken, kosmische snaren genoemd, zich in het vroege heelal kunnen hebben gevormd. Deze snaren kunnen energie verdrijven door zwaartekrachtgolven uit te zenden. Een andere suggestie is dat het universum niet begon met de oerknal, maar met de oerknal, waarin het negatieve universum in elkaar stortte voordat het naar buiten uitbreidde. In zo’n oorsprongsverhaal zouden de zwaartekrachtgolven van het ongeval nog steeds door de ruimte-tijd rimpelen.

Er is ook de mogelijkheid dat pulsars niet de perfecte zwaartekrachtgolfdetectoren zijn die wetenschappers denken dat ze zijn, en dat ze in plaats daarvan een onbekende asymmetrie hebben die de NANOGrav-resultaten scheeftrekt. “We kunnen niet naar een pulsar lopen en hem aan en uit zetten om te zien of er iets mis is”, zegt Mingarelli.

Het NANOGrav-team hoopt alle mogelijke bijdragers aan de nieuw ontdekte zwaartekrachtgolfachtergrond te onderzoeken terwijl ze pulsars blijven volgen. De groep is van plan de achtergrond af te breken op basis van de frequentie van de golven en hun oorsprong in de lucht.

internationale inspanning

Gelukkig staat het NANOGrav-team niet alleen in zijn zoektocht. Verschillende artikelen die vandaag zijn gepubliceerd door samenwerkingsverbanden met telescopen in Europa, India, China en Australië wijzen op dezelfde achtergrondsignalen van zwaartekrachtgolven in hun gegevens. Via het International Pulsar Timing Matrix-consortium bundelen individuele groepen hun gegevens om het signaal beter te karakteriseren en de bronnen ervan te identificeren.

“Onze gecombineerde gegevens zullen nog krachtiger zijn”, zegt Stephen Taylor van de Vanderbilt University, die mede leiding gaf aan het nieuwe onderzoek en momenteel voorzitter is van de NANOGrav-samenwerking. “We zijn verheugd om de geheimen te ontdekken die ze over ons universum zullen onthullen.”