Waarom zijn wetenschappers zo opgewonden

Op 29 juni maakten vier afzonderlijke teams van wetenschappers een aankondiging^1–4 Wat belooft een revolutie teweeg te brengen in de astrofysica: ze hebben sterke hints gezien van zeer lange zwaartekrachtgolven die de melkweg vervormen.

Zwaartekrachtsgolven zijn rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd die worden gegenereerd wanneer grote massa’s versnellen. Ze werden voor het eerst ontdekt in 2015, maar het meest recente bewijs wijst op “monster” rimpelingen bij golflengten van 0,3 parsec (lichtjaar) of langer; De tot nu toe gedetecteerde golven hebben golflengten van tientallen tot honderden kilometers.

hier natuur Hij rapporteert wat deze monsterzwaartekrachtgolven zouden kunnen betekenen voor ons begrip van het universum en hoe het veld zou kunnen zijn geëvolueerd.

Hoe verschillen de nieuw aangekondigde zwaartekrachtgolven van de golven die astronomen al hebben gevonden?

Zwaartekrachtsgolven werden voor het eerst gedetecteerd door twee Laser Gravitational-Wave Observatory (LIGO) tweelingdetectoren in de staat Louisiana en Washington. Ze voelden de rimpelingen die werden veroorzaakt door twee zwarte gaten die in elkaar overvloeien en samensmelten. LIGO en zijn tegenhanger Virgo in Europa hebben sindsdien tientallen soortgelijke gebeurtenissen gemeld.

Voor de nieuwste resultaten vertrouwden de auteurs op speciale bakensterren die millisecondepulsars worden genoemd. De teams volgden gedurende meer dan een decennium veranderingen in de afstanden tussen de aarde en milliseconde pulsars in de Melkweg, en vergeleken signalen van de reeksen van tientallen bakensterren. Pulsar timing arrays (PTA’s) zijn gevoelig voor golven van 0,3 parsec of langer.

En hoewel LIGO en Virgo wel degelijk bewijs vinden van de laatste stadia van individuele fusiegebeurtenissen – golven met regelmatige tussenafstanden die uit één specifieke richting in de lucht komen – hebben de vier PTA-samenwerkingen tot nu toe slechts een ‘willekeurige achtergrond’ gevonden, een constante strijd in willekeurige richtingen . Dit is vergelijkbaar met de willekeurige stroom van water op het oppervlak van een vijver als gevolg van regen.

Wat is de oorsprong van golven?

De meest waarschijnlijke verklaring voor de willekeurige achtergrond die de PTA’s zien, is dat ze worden veroorzaakt door vele paren superzware zwarte gaten die in een baan om elkaar heen draaien in de harten van verre sterrenstelsels, zegt Sarah Burke-Spollor, een astrofysicus aan de West Virginia University in Morgantown.

Aangenomen wordt dat de meeste sterrenstelsels zo’n monsterlijk zwart gat bevatten, met een massa van miljoenen of miljarden keren die van de zon. En astronomen weten dat er in de loop van de geschiedenis van het universum veel sterrenstelsels zijn samengesmolten. Dus sommige sterrenstelsels moeten zijn geëindigd met twee superzware zwarte gaten, bekend als een zwart gat binair getal.

Monsterlijke zwaartekrachtgolven voor het eerst gedetecteerd

De onderzoekers berekenden ook dat in het drukke centrum van zo’n galactische samensmelting elk zwart gat dat ook zou doen een deel van zijn momentum overdragen naar de omringende sterren, ze met hoge snelheid uitwerpen of ze gewoon rondslepen. Als gevolg hiervan zullen de twee zwarte gaten uiteindelijk vertragen en uiteindelijk in een baan om elkaar heen draaien op een afstand van ongeveer 1 parsec, legt Chiara Mingarelli uit, een zwaartekrachtgolf-astrofysicus aan de Yale University in New Haven, Connecticut.

Gepaarde zwarte gaten die veel dichter bij elkaar staan ​​dan 1 parsec zullen echter bijdragen aan het PTA-signaal. “Ze moeten een millifarsec van elkaar verwijderd zijn om detecteerbare zwaartekrachtgolven uit te zenden”, zegt Mingarelli. De theorieën die verklaren hoe dit is gebeurd, zijn echter speculatief, en of binaire bestanden dit konden was een open vraag, bekend als het ultieme parsec-probleem. “Als je het laatste parsec-probleem niet oplost, krijg je geen zwaartekrachtgolven”, zegt Mingarelli.

Wetenschappers zullen nu proberen te verifiëren dat het PTA-signaal inderdaad afkomstig is van superzware zwarte gaten. Als dit kan worden bevestigd, zou dit een bewijs zijn dat superzware zwarte gaten in de natuur heel dicht bij elkaar kunnen komen.

Dit resultaat zal van fundamenteel belang zijn, zegt Monica Colby, een astrofysicus aan de Universiteit van Milaan-Bicocca in Italië, omdat het aantoont dat duizenden dubbelsterren van zwarte gaten in het universum op de een of andere manier het laatste parsec-probleem hebben ‘opgelost’. “Het zou een ontdekking zijn dat zo’n populatie bestaat.”

Wat betekent zo’n binair zwart gat voor LISA, de geplande Europese ruimtedetector?

Paren van superzware zwarte gaten die dicht genoeg bij elkaar komen om zwaartekrachtgolven uit te zenden, zullen uiteindelijk botsen en samensmelten. Dat komt omdat zwaartekrachtgolven zelf energie en momentum weg zouden voeren van zwarte gaten, waardoor hun banen in spiralen zouden veranderen. Over honderden tot tienduizenden jaren zouden de paren met elkaar in botsing komen.

Hoe zwaartekrachtgolven enkele van de diepste mysteries van het universum kunnen oplossen

Colby zegt dat dit goed nieuws zou kunnen zijn voor de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), een drietal sondes die de European Space Agency halverwege de jaren 2030 wil lanceren.

Terwijl de zwarte gaten naar binnen roteren, nemen de frequenties van de zwaartekrachtgolven toe, en komen in sommige gevallen in het gevoeligheidsspectrum van LISA terecht. LISA zal gevoelig zijn voor golflengten tussen 3 miljoen km en 3 miljard km – korter dan de golflengten die kunnen worden gedetecteerd door PTA’s, hoewel nog steeds veel langer dan die waargenomen door gronddetectoren. Dus LISA heeft tijdens haar missie veel van deze fusies kunnen zien.

Fusies van zwarte gaten kunnen ook helpen verklaren hoe sommige zwarte gaten zo groot zijn geworden: ze zijn zelf het resultaat van eerdere fusies.

Zou iets anders dan binaire zwarte gaten de willekeurige achtergrond kunnen produceren?

Er zijn een hele reeks vreemde natuurkundige theorieën die een vergelijkbare multidirectionele achtergrond voorspellen voor golven die uit alle richtingen in de ruimte komen. Deze bronnen kunnen een deel of zelfs het grootste deel van het signaal uitmaken. Mogelijkheden zijn onder meer bepaalde soorten donkere materie en zelfs kosmische snaren, hypothetische oneindig kleine defecten in de kromming van ruimte-tijd. Kosmische snaren kunnen knikken veroorzaken, die uiteindelijk kunnen knappen en zwaartekrachtgolven produceren.

Een van de meest opwindende alternatieve verklaringen is de achtergrond van kosmische zwaartekrachtgolven die zijn oorsprong vindt in het vroege heelal, zegt Burke-Spollor. Telescopen die over het hele elektromagnetische spectrum kijken – van radiogolven tot gammastraling – zijn beperkt in hoe ver ze kunnen gluren, en dus in hoe ver ze in het verleden kunnen kijken. Dit komt omdat, lang voordat sterrenstelsels en sterren bestonden, een ondoorzichtig geïoniseerd gas het universum vulde. Dit vertroebelt het zicht van astronomen op wat er de eerste 400.000 jaar in het universum is gebeurd.

Maar zwaartekrachtgolven kunnen door elk medium reizen. Als gevolg hiervan kunnen dergelijke golven die vanaf het eerste moment na de oerknal worden gegenereerd, nog steeds aanwezig en detecteerbaar zijn als onderdeel van een willekeurige achtergrond, wat een venster biedt op de extreme fysica van de oerknal. “Dit is geweldig voor mij”, zegt Burke Spollor. “Wie weet wat daar in zit.”