Zwarte gaten behoren tot de meest fascinerende objecten in het universum, maar ze blijven ongrijpbaar omdat ze zo ongelooflijk dicht zijn en hun zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet aan hun greep kan ontsnappen. Om zwarte gaten in de kosmos te ontdekken, hebben onderzoekers zich gericht op een opkomend onderzoeksgebied dat bekend staat als gravitatiegolf-astronomie.
Gravitatiegolven zijn vervormingen of rimpels in de structuur van ruimte en tijd die worden veroorzaakt door de beweging van massieve objecten. In 2015 ontdekten astronomen voor het eerst de beweging van gravitatiegolven met behulp van de telescopen van het op aarde gebaseerde Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in Louisiana en Washington. In dit geval werden de rimpels veroorzaakt door een gewelddadige botsing van twee massieve, samenwerkende zwarte gaten die bekend staan als een zwart gat binair.
Met behulp van LIGO en andere observatietechnologieën wil een nieuwe studie een vollediger beeld schetsen van zwarte gaten - met name die welke behoren tot de meer obscure categorie die bekend staat als tussenmassa zwarte gaten (IMBH's).
"Toen ik bij LIGO kwam, realiseerde ik me dat mijn jaren van algemene relativistische simulatie van zwarte gaten kunnen worden ingezet om een nieuwe astrofysische jacht op IMBH's te ontwikkelen", vertelde Karan Jani, een astrofysicus van de Vanderbilt University en hoofdauteur van de studie, aan Space. com
IMBH's vallen ergens tussen superzwaar - minstens een miljoen keer groter dan onze zon - en zwarte gaten met een stellaire massa - kleiner, maar nog steeds vijf tot vijftig keer groter dan de massa van onze zon.
"IMBH's zijn heel bijzonder in het inaugurele decennium van de zwaartekrachtsgolf-astronomie. Van elke bekende astrofysische bron die zwaartekrachtsgolven uitzendt, melden we dat zowel LIGO als LISA [Laser Interferometer Space Antenna] het meest gevoelig zijn voor fusies van IMBH's," zei Jani. 'Met deze twee experimenten kunnen we praktisch alle IMBH-binaries in het universum onderzoeken.'
Maar astronomen hebben deze ongrijpbare, middelgrote zwarte gaten nog niet direct kunnen detecteren, voegde Jani eraan toe. Zijn aanpak is dus om de verschillende frequenties van zwaartekrachtgolven die door zwarte gaten worden uitgezonden te bestuderen om een beter begrip te krijgen van de IMBH-activiteit.
'Zoals een symfonieorkest geluid uitzendt over een reeks frequenties, komen de zwaartekrachtgolven van zwarte gaten op verschillende frequenties en tijden voor', zei Jani in een verklaring van de Vanderbilt University. "Sommige van deze frequenties hebben een extreem hoge bandbreedte, terwijl andere een lage bandbreedte hebben, en ons doel in het volgende tijdperk van de zwaartekrachtsgolfastronomie is om multiband-observaties van beide frequenties vast te leggen om 'het hele lied te horen', zoals het was, als het gaat om zwarte gaten. "
Van IMBH's wordt aangenomen dat ze de zaden zijn waaruit superzware zwarte gaten groeien. Zwarte gaten kunnen bijvoorbeeld groeien door andere zwarte gaten op te slokken. In het gebied van de instromende materie rond een zwart gat, ook wel bekend als de aanwasschijf, trekken sterke zwaartekrachten nabijgelegen gas, sterren, stof en zelfs andere zwarte gaten naar binnen. Elk materiaal dat te dichtbij komt, loopt het risico voorbij de horizon van de gebeurtenis te worden getrokken - het punt waarboven het niet kan ontsnappen aan de zwaartekracht van het zwarte gat.
"Zodra een IMBH een ander zwart gat in zijn omgeving heeft gevangen, zal er een golf van zwaartekrachtsstraling zijn", vertelde Jani aan Space.com. 'LIGO kan deze straling opvangen wanneer deze zwarte gaten botsen.'
De voorgestelde LISA-missie - gezamenlijk geleid door de European Space Agency en NASA - zal in staat zijn om laagfrequente zwaartekrachtgolven te detecteren en nauwkeurig te meten, wat een uitdaging is voor op aarde gebaseerde detectoren, vanwege de seismische beweging van onze planeet of zelfs trillingen van een passerende auto. Gepland voor lancering in 2034, zou LISA de eerste speciale ruimtegebaseerde gravitatiegolfdetector zijn.
"Met de LISA-missie stelt ons onderzoek vast dat straling van IMBH's minstens een paar jaar voor hun noodlottige botsing kan worden geregistreerd", zei Jani. "Deze straling is letterlijk de ruimtetijd die wordt vervormd net buiten de gebeurtenishorizon van de IMBH's. In tegenstelling tot een radio- of röntgensignaal verliest de zwaartekrachtstraling geen informatie omdat het miljarden lichtjaren reist voordat het ons bereikt."
Door waarnemingen van LIGO-detectoren, die hoogfrequente zwaartekrachtgolven opvangen, en toekomstige detectoren zoals de LISA-missie, die laagfrequente zwaartekrachtgolven zullen meten, te combineren, hopen de onderzoekers daarom hiaten in het huidige begrip van zwarte gaten op te vullen.
Hun studie werd 18 november gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy.
- Afbeeldingen: Black Holes of the Universe
- In botsing komende zwarte gaten kunnen verschillende zwaartekrachtliederen zingen
- Maak een symfonische reis naar een zwart gat met 'Metacosmos'
