Miljarden jaren geleden smolten twee zwarte gaten die veel zwaarder waren dan de zon - elk 31 en 19 zonsmassa's - samen in een verre melkweg. Op 4 januari 2017 bereikten deze zwaartekrachtgolven, die met de snelheid van het licht door het universum reisden, eindelijk de aarde, waar ze onze planeet in verschillende atomen samendrukten en uitrekten. Dit was genoeg voor twee LIGO-detectoren in Washington en Louisiana om het signaal op te vangen en precies te reconstrueren wat er gebeurde. Voor de derde keer in de geschiedenis hebben we rechtstreeks zwaartekrachtgolven waargenomen. Ondertussen waren telescopen en observatoria over de hele wereld, inclusief die in de baan van de aarde, op zoek naar een heel ander signaal: zoiets als licht of elektromagnetische straling die deze samensmeltende zwarte gaten zouden kunnen uitzenden.
Een illustratie van twee samensmeltende zwarte gaten met een vergelijkbare massa als die bij LIGO. Verwacht wordt dat een dergelijke versmelting zeer weinig elektromagnetische signalen zal produceren, maar de aanwezigheid van een sterk verhitte substantie nabij dergelijke objecten kan dit veranderen.
Volgens onze beste fysica-modellen mogen samensmeltende zwarte gaten helemaal geen licht uitstralen. Een enorme singulariteit omgeven door een waarnemingshorizon kan zwaartekrachtgolven uitzenden als gevolg van de veranderende kromming van de ruimte-tijd, aangezien het rond een andere gigantische massa draait, en de algemene relativiteitstheorie impliceert dit. Aangezien gravitatie-energie in de vorm van straling ergens vandaan moet komen, zal het laatste zwarte gat na de fusie enkele zonsmassa's lichter zijn dan de som van de bronnen die het hebben opgewekt. Dit komt volledig overeen met twee andere fusies die LIGO waarnam: ongeveer 5% van de oorspronkelijke massa werd omgezet in pure energie in de vorm van gravitatiestraling.
De massa aan bekende binaire zwart-gatensystemen, waaronder drie bevestigde LIGO-fusies en één fusiekandidaat
Maar als er iets buiten deze zwarte gaten is, zoals een accretieschijf, een firewall, een harde schaal, een diffuse wolk of iets anders, kan de versnelling en verwarming van dit materiaal elektromagnetische straling creëren die samen met onze zwaartekrachtgolven reist. Na de eerste LIGO-detectie verklaarde de Fermi Gamma-ray Burst Monitor dat hij een uitbarsting van hoge energie had gedetecteerd die samenviel met de tijd van het gravitatiegolfsignaal. Helaas kon de ESA-satelliet niet alleen de resultaten van Fermi bevestigen, maar de wetenschappers die daar werkten ontdekten een fout in Fermi's analyse van hun gegevens, waardoor hun resultaten volledig in diskrediet werden gebracht.
Samenvoeging van twee zwarte gaten door de ogen van een kunstenaar, met een accretieschijf. De dichtheid en energie van materie zouden hier niet voldoende moeten zijn om gammastralen of röntgenuitbarstingen te creëren, maar wie weet waartoe de natuur in staat is.
De tweede fusie vertoonde niet zulke hints van elektromagnetische signalen, maar dit is niet verrassend: zwarte gaten waren aanzienlijk lichter in massa, dus elk signaal dat ze genereerden zou dienovereenkomstig kleiner zijn. Maar de derde fusie was ook groot in massa, meer vergelijkbaar met de eerste dan met de tweede. Hoewel Fermi niets zei, en ESA's integrale satelliet ook stil bleef, waren er twee aanwijzingen dat er mogelijk elektromagnetische straling heeft plaatsgevonden. De AGILE-satelliet van het Italiaanse ruimteagentschap registreerde een zwakke, kortstondige uitbarsting die plaatsvond een halve seconde vóór de fusie bij LIGO, en de combinatie van röntgen-, radio- en optische waarnemingen werd vreemd geïdentificeerd.
Als dit alles zou kunnen worden toegeschreven aan het samensmelten van zwarte gaten, zou het volkomen ongelooflijk zijn. We weten zo weinig over zwarte gaten in het algemeen, wat kunnen we zeggen over samenvoegende gaten. We hebben ze nog nooit met onze eigen ogen gezien, hoewel de Event Horizon Telescope voor het einde van dit jaar een foto zal maken. We ontdekten net dit jaar dat zwarte gaten geen harde schelpen hebben rond de waarnemingshorizon, maar dit feit was ook statistisch. Dus als het gaat om de mogelijkheid dat zwarte gaten elektromagnetische lekken hebben, is het de moeite waard om open te staan.
Promotie video:
Verafgelegen, enorme quasars vertonen superzware zwarte gaten in hun kernen en hun elektromagnetische lekken zijn gemakkelijk op te sporen. Maar we hebben nog niet gezien dat samensmeltende zwarte gaten (vooral die met een lage massa, minder dan 100 zonnen) iets uitstoten wat kan worden gedetecteerd.
Helaas levert geen van deze waarnemingen de nodige gegevens op om ons te laten concluderen dat samensmeltende zwarte gaten alles in het elektromagnetische spectrum kunnen uitzenden. Over het algemeen is het vrij moeilijk om overtuigend bewijs te verkrijgen, aangezien zelfs de dubbele LIGO-detectoren, die met een ongelooflijke nauwkeurigheid werken, de locatie van het zwaartekrachtgolfsignaal niet nauwkeuriger kunnen bepalen dan tot een constellatie of drie. Aangezien zwaartekrachtgolven en elektromagnetische golven zich verplaatsen met de snelheid van het licht, is het uiterst onwaarschijnlijk dat er een vertraging van bijna 24 uur tussen de twee zal zijn. Bovendien vindt de tijdelijke gebeurtenis plaats op een afstand waardoor deze niet kan worden geassocieerd met een zwaartekrachtgolf.
Het observatiegebied van het AGILE-observatorium ten tijde van LIGO-waarnemingen met de mogelijke locatie van de zwaartekrachtgolfbron weergegeven in paarse lijnen
De observaties van AGILE zouden er mogelijk op kunnen duiden dat er iets interessants aan de hand is. Op het moment dat de zwaartekrachtgolf werd gedetecteerd, was AGILE gericht op een gebied in de ruimte dat 36% van het LIGO-studiegebied bevat. Volgens wetenschappers leek "het teveel aan gedetecteerde röntgenfotonen" ergens boven de gebruikelijke gemiddelde achtergrond. Maar kijkend naar de gegevens, is de eerste vraag die wetenschappers stellen: hoe overtuigend zijn ze?
Enkele seconden voor de LIGO-fusie trokken ze een interessant evenement uit, met het label E2 in de drie bovenstaande grafieken. Na een grondige analyse waarin ze correleerden wat ze zien en wat voor soort willekeurige fluctuaties van nature kunnen optreden, concludeerden ze dat er iets interessants was gebeurd met een waarschijnlijkheid van 99,9%. Met andere woorden, ze zagen een echt signaal, geen willekeurige fluctuatie. Er zijn veel objecten in het heelal die gamma- en röntgenstraling uitzenden die de achtergrond vormen. Maar kan het incident worden gekoppeld aan de gravitationele versmelting van twee zwarte gaten?
Computersimulaties van twee samensmeltende zwarte gaten met de productie van gravitatiegolven. De vraag is: begeleidt dit signaal een elektromagnetische burst?
Zo ja, waarom hebben de andere satellieten het dan niet gezien? Op dit moment kunnen we concluderen dat als zwarte gaten een elektromagnetisch deel hadden, het:
- extreem zwak
- wordt alleen geboren met lage energieën
- heeft geen heldere optische, radio- of gammastraalcomponent
- treedt niet gelijktijdig op met het vrijkomen van zwaartekrachtgolven.
Binaire zwarte gaten van 30 zonsmassa's, voor het eerst gedetecteerd door LIGO, zijn moeilijk te vormen zonder directe ineenstorting. Nu ze al twee keer zijn waargenomen, werd het duidelijk dat dergelijke paren zwarte gaten vrij algemeen zijn. Hebben ze elektromagnetische straling?
Bovendien past alles wat we zien perfect bij het feit dat samensmeltende zwarte gaten geen elektromagnetisch deel hebben. Maar zou dit kunnen zijn omdat we niet genoeg gegevens hebben? Als we meer detectoren voor zwaartekrachtgolven bouwen, meer samensmeltingen van zwarte gaten met een hoge massa zien, ze beter lokaliseren, meer voorbijgaande gebeurtenissen zien - we kunnen het antwoord op die vraag vinden. Als missies en observatoria die dergelijke gegevens zouden moeten verzamelen, worden gebouwd, in gebruik genomen en, indien nodig, in een baan om de aarde worden gebracht, dan zullen we binnen 15 jaar wetenschappelijke bevestiging ontvangen.
ILYA KHEL
