In januari 2016 schreven onderzoekers van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) geschiedenis toen ze de allereerste detectie van gravitatiegolven aankondigden. Gesteund door de National Science Foundation (NSF) en beheerd door Caltech en MIT, is LIGO toegewijd aan het bestuderen van de golven die worden voorspeld door Einstein's Theory of General Relativity en veroorzaakt door fusies van zwarte gaten.
Volgens een nieuwe studie door een team van astronomen van het Center of Cosmology van de University of California Irvine komen dergelijke fusies veel vaker voor dan we dachten. Na een onderzoek te hebben uitgevoerd naar de kosmos die bedoeld was om zwarte gaten te berekenen en te categoriseren, stelde het UCI-team vast dat er wel 100 miljoen zwarte gaten in de melkweg zouden kunnen zijn, een bevinding die aanzienlijke implicaties heeft voor de studie van gravitatiegolven.
De studie met details over hun bevindingen, getiteld "Counting Black Holes: The Cosmic Stellar Remnant Population and Implications for LIGO", verscheen onlangs in de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society. Onder leiding van Oliver D. Elbert, een postdocstudent bij de afdeling Fysica en Astronomie van UC Irvine, heeft het team een analyse uitgevoerd van zwaartekrachtsgolfsignalen die door LIGO zijn gedetecteerd.
Hun studie begon ongeveer anderhalf jaar geleden, kort nadat LIGO de eerste detectie van zwaartekrachtgolven aankondigde. Deze golven zijn ontstaan door het samenvoegen van twee verre zwarte gaten, die elk in massa equivalent waren aan ongeveer 30 zonnen. Zoals James Bullock, een professor in natuurkunde en astronomie aan UC Irvine en een co-auteur van het papier, uitlegde in een UCI-persbericht:
"In wezen was de detectie van zwaartekrachtsgolven een groot probleem, aangezien het een bevestiging was van een belangrijke voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Maar toen keken we nader naar de astrofysica van het daadwerkelijke resultaat, een samenvoeging van twee zwarte gaten van 30 zonsmassa. Dat was gewoon verbazingwekkend en we vroegen ons af: 'Hoe vaak komen zwarte gaten van deze omvang voor, en hoe vaak komen ze samen?' ''
Traditioneel waren astronomen van mening dat zwarte gaten doorgaans ongeveer dezelfde massa zouden hebben als onze zon. Als zodanig probeerden ze de meervoudige gravitatiegolfdetecties van LIGO te interpreteren in termen van wat bekend is over de vorming van sterrenstelsels. Daarnaast probeerden ze ook een kader te creëren voor het voorspellen van toekomstige fusies van zwarte gaten.
Hieruit concludeerden ze dat de Melkweg tot wel 100 miljoen zwarte gaten zou bevatten, waarvan 10 miljoen een geschatte massa van ongeveer 30 zonsmassa's zouden hebben - dat wil zeggen vergelijkbaar met die welke samensmolten en de eerste gravitatiegolven creëerden die werden gedetecteerd door LIGO in 2016. Ondertussen zouden dwergstelsels - zoals de Draco Dwarf, die op een afstand van ongeveer 250.000 l van het centrum van ons sterrenstelsel cirkelen - ongeveer 100 zwarte gaten bevatten.
Ze stelden verder vast dat vandaag de dag de meeste zwarte gaten met een lage massa (~ 10 zonsmassa's) zich in sterrenstelsels van 1 biljoen zonsmassa's (massieve sterrenstelsels) bevinden, terwijl enorme zwarte gaten (~ 50 zonsmassa's) zich in sterrenstelsels bevinden die ongeveer 10 miljard zonsmassa's hebben (dwz dwergstelsels). Na de relatie tussen de massa van sterrenstelsels en de stellaire metalliciteit te hebben overwogen, interpreteerden ze de telling van het zwarte gat van een sterrenstelsel als een functie van de stellaire massa.
Daarnaast probeerden ze ook te bepalen hoe vaak zwarte gaten in paren voorkomen, hoe vaak ze samenvloeien en hoe lang dit zou duren. Uit hun analyse bleek dat slechts een klein deel van de zwarte gaten bij fusies betrokken hoefde te zijn om tegemoet te komen aan wat LIGO waarnam. Het bood ook voorspellingen die aantoonden hoe nog grotere zwarte gaten binnen het volgende decennium zouden kunnen samensmelten.
Zoals Manoj Kaplinghat, ook een UCI-hoogleraar natuurkunde en astronomie en de tweede co-auteur van de studie, uitlegde:
“We laten zien dat slechts 0,1 tot 1 procent van de gevormde zwarte gaten moet samensmelten om uit te leggen wat LIGO zag. Natuurlijk moeten de zwarte gaten dichtbij genoeg komen om binnen een redelijke tijd samen te voegen, wat een open probleem is ... Als de huidige ideeën over stellaire evolutie juist zijn, dan geven onze berekeningen aan dat fusies van zelfs zwarte gaten met een massa van 50 zonne-energie binnen een paar jaar ontdekt worden. '
Met andere woorden, ons sterrenstelsel zou kunnen krioelen van zwarte gaten en er zouden regelmatig fusies kunnen plaatsvinden (in vergelijking met kosmologische tijdschalen). Als zodanig kunnen we verwachten dat er de komende jaren nog veel meer zwaartekrachtsgolfdetectie mogelijk zal zijn. Dit mag geen verrassing zijn, aangezien LIGO sinds de winter van 2016 twee extra detecties heeft gedaan.
Nu er nog veel meer zullen komen, zullen astronomen veel kansen krijgen om fusies van zwarte gaten te bestuderen, om nog maar te zwijgen van de fysica die hen drijft!
