De vijfde meting van een zwaartekrachtsgolf brengt een reeks aan doorbraken met zich mee. Het is de eerste golf afkomstig van samensmeltende neutronensterren en de eerste keer dat de bron tegelijk met telescopen is waargenomen. Daarnaast kennen wetenschappers nu eindelijk de oorsprong van twee volstrekt uiteenlopende zaken: gammaflitsen en goud.
Voor het eerst hebben wetenschappers een zwaartekrachtsgolf gemeten afkomstig van twee botsende neutronensterren. Wat deze meting extra bijzonder maakt, is dat de neutronensterbotsing tevens met telescopen is waargenomen. De twee Amerikaanse LIGO-detectoren en de Europese Virgo-detector deden de ontdekking in samenwerking met zeventig onderzoeksgroepen van astronomen.
De eerste vier observaties van zwaartekrachtsgolven waren samensmeltende zwarte gaten. Drie wetenschappers die aan de wieg stonden van de LIGO-detectoren die deze golven maten, ontvingen begin deze maand nog de Nobelprijs voor de natuurkunde.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Ster zo groot als Amsterdam
De vijfde golf, gemeten op 17 augustus 2017, is de eerste die is opgewekt door twee samensmeltende neutronensterren. Dit zijn de overblijfselen van sterren die bij geboorte ongeveer tien keer zo zwaar zijn als de zon. Wanneer ze ontploffen in een supernova-explosie, slingeren ze het gros van hun massa het heelal in en blijft enkel een kleine, supercompacte kern over. Zo’n neutronenster heeft ongeveer de massa van de zon en een doorsnee van slechts 20 kilometer – vergelijkbaar met een stad zoals Amsterdam.
De twee neutronensterren die de onderzoekers zagen samensmelten, waren 1,1 tot 1,6 zonsmassa’s zwaar en bevonden zich op 130 miljoen lichtjaar van de aarde. Zeer waarschijnlijk smolten de sterren samen tot een zwart gat. De zwaartekrachtsgolven die ze tijdens hun fatale dans uitzonden, waren ongeveer 100 seconden meetbaar voor de LIGO- en Virgo-detectoren. Dat is veel langer dan de fractie van een seconde dat de botsing van zwarte gaten meetbaar is.
Blinde hoek
Doordat de zwaartekrachtsgolf niet alleen door LIGO, maar ook door Virgo was gemeten, kon de locatie aan de hemel redelijk nauwkeurig bepaald worden. ‘Het signaal was bij Virgo heel zwak’, vertelt astrofysicus Chris Van Den Broeck van deeltjesinstituut Nikhef in Amsterdam en de Rijksuniversiteit Groningen. In zijn onderzoek gebruikt hij zwaartekrachtsgolven om Einsteins algemene relativiteitstheorie te testen. ‘Doordat het zo zwak was, wisten we dat het signaal uit de blinde hoek van de Virgo-detector moest komen. Zo konden we een klein gebied aan de hemel aanwijzen waar de golf vandaan kwam.’
Dankzij die locatiebepaling konden astronomen onmiddellijk na de meting van de zwaartekrachtsgolf telescopen op de bron richten. Slechts 1,7 seconde na de meting zag NASA’s ruimtetelescoop Fermi een gammaflits. Met andere telescopen werd bovendien de nagloed van de gebeurtenis gemeten, die bestaat uit straling uit andere delen van het elektromagnetische spectrum, zoals infrarood- en röntgenstraling.
Kilonova en goud
De gebeurtenis die de zwaartekrachtsgolfdetectoren en telescopen zagen, was om precies te zijn een kilonova met een daaruit volgende korte gammaflits. Bij een kilonova botsen twee neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat op elkaar. Daarbij komt zo veel energie vrij dat een deel van het materiaal van de neutronensterren met een enorme snelheid het heelal in geslingerd wordt. Dat materiaal gloeit en is daardoor met telescopen waarneembaar.
Zo’n kilonova is volgens wetenschappers de enige manier waarop in het heelal zware metalen zoals goud en platina gemaakt kunnen worden. ‘Het goud van de ring die je draagt, is dus gevormd tijdens het samensmelten van twee neutronensterren of een neutronenster en een zwart gat’, vertelt Selma de Mink, sterrenkundige aan de Universiteit van Amsterdam. Dat zware metalen op die manier gevormd worden, is een aloud astronomisch vermoeden dat dankzij de telescoopopnamen van de nagloed nu eindelijk bewezen lijkt.
Gammaflitsen
En dat is niet het enige. Ook de korte gammaflits die na de zwaartekrachtsgolfmeting gezien werd, is van onschatbare waarde voor de sterrenkunde. Gammaflitsen zijn hevige uitbarstingen van gammastraling. Ze werden ongeveer vijftig jaar geleden voor het eerst waargenomen door de Vela-satellieten die de Amerikanen lanceerden om in de gaten te houden of de Sovjet-Unie volgens afspraak geen kernproeven deed. Met de satellieten zochten ze daarom naar gammastraling die resulteert uit kernexplosies. Tot hun verrassing zagen de Amerikanen ook gammaflitsen vanuit het heelal.
Inmiddels worden gammaflitsen regelmatig waargenomen en zijn de meeste onderzoekers het erover eens dat de korte varianten, die minder dan twee seconden duren, ontstaan bij het samensmelten van twee neutronensterren of een zwart gat en een neutronenster.
Dat was echter nog nooit bewezen. Tot vandaag. Dankzij de gelijktijdige meting van een korte gammaflits en zwaartekrachtsgolven die de aanwezigheid van neutronensterren aantonen, is het vermoeden bevestigd. Wel was de gemeten gammaflits erg zwak. Een mogelijke verklaring daarvoor is dat de flits niet rechtstreeks in onze richting werd uitgezonden. Als meer metingen van dit soort kilonova’s verzameld worden, kunnen onderzoekers achterhalen hoe en wanneer de flitsen precies ontstaan.
Reeks aan firsts
De vijfde meting van zwaartekrachtsgolven is al met al dus een behoorlijk spektakel. Het is de eerste detectie van samensmeltende neutronensterren met bijbehorende meting van het uitgezonden licht. ‘Hier had ik niet op durven hopen’, zegt Van Den Broeck. ‘Het is een reeks aan firsts. Het is niet alleen de eerste meting van samensmeltende neutronensterren, ook was er voor het eerst een lichtsignaal en de detectie heeft voor het eerst aangetoond hoe korte gammaflitsen en zware metalen ontstaan bij het samensmelten van neutronensterren.’
Daarnaast zijn er een hoop raadsels die nu meer kans maken om opgehelderd te worden. De Mink: ‘Dit soort metingen kunnen ons meer leren over de samenstelling van neutronensterren. Daar is nog veel onduidelijk over.’
De ontdekking vormt een passend sluitstuk van de succesvolle eerste serie metingen van LIGO en Virgo. De detectoren liggen nu stil om geüpgraded te worden, maar in het najaar van 2018 worden ze weer aangezet. Van Den Broeck: ‘Dan verwacht ik dat we makkelijk één signaal per week zullen zien. Dat wordt dus veel werk om te analyseren, maar dat is alleen maar leuk.’
Lees hier meer reacties van wetenschappers die aan het onderzoek hebben meegewerkt!
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder:
- Waarom de vermoedelijke nieuwe ontdekking rond zwaartekrachtsgolven zo spannend is
- Nobelprijs natuurkunde naar grondleggers eerste directe meting zwaartekrachtsgolven
- Primeur: zwaartekrachtsgolf voor het eerst gemeten met drie detectoren
- Nieuwe zwaartekrachtsgolf kan raadsels van de ruimtetijd ophelderen
- Astronomen in de ban van nieuw soort zwaartekrachtsgolf
- Derde waarneming zwaartekrachtsgolven vertelt over ontstaan dubbele zwarte gaten
- Ligo meet opnieuw zwaartekrachtsgolven
- Zwaartekrachtsgolven voor beginners
- Waarom iedereen opgewonden moet zijn over de vermoedelijke vondst van zwaartekrachtsgolven
