Kunnen we zo sporen van zwarte gaten zien?

Jean-Paul Keulen

02-01-2022 10:30:00

zwaartekrachtsgolven

Natuurkundigen gaan in een zee van zwaartekrachtsgolven op zoek naar de eerste sterren in het heelal, die veel zwaarder konden worden dan hun nazaten.

Katarina onderzoekt zwaartekrachtsgolven
Katarina Martinovic © Perimeter Institute

Als aardse experimenten zwaartekrachtsgolven oppikken, zijn die tot nu toe altijd afkomstig van één specifieke gebeurtenis. Twee zware objecten – meestal zwarte gaten – zijn ergens ver weg in het heelal samengesmolten, waarbij ze trillingen in de ruimtetijd creëren. Trillingen die we sinds 2015 met enige regelmaat meten, dankzij detectoren als LIGO in de VS en Virgo in Italië.

Maar, zo verwachten natuur- en sterrenkundigen: binnen niet al te lange tijd meten we niet alleen dat soort golven, maar ook een zee van zwaartekrachtsgolven die níét zomaar te herleiden zijn tot afzonderlijke botsingen: de zwaartekrachtsgolvenachtergrond of gravitational wave background. En in die zee zou bewijsmateriaal schuil kunnen gaan voor de eerste sterren in het heelal, die veel zwaarder konden worden dan hun verre nazaten. Maar is dat bewijsmateriaal ook uit die zee te vissen? Op die vraag stortte natuurkundige Katarina Martinovic van King’s College London zich, samen met drie collega’s.

Lees ook:

Invloedrijke sterren

Alle sterren in het huidige heelal kun je verdelen in twee groepen: populatie I en II. Onze zon behoort tot populatie I. Dat wil zeggen: vrij jonge sterren die relatief veel elementen bevatten die zwaarder zijn dan waterstof en helium. Daarnaast is er populatie II: oudere sterren met veel minder zware elementen. Maar, zo vermoeden sterrenkundigen: een paar honderd miljoen jaar na de oerknal – oftewel: zo’n 13 miljard jaar geleden – moet er ook een populatie III zijn geweest. Die bestond uit sterren die zo goed als geen zware elementen bevatten en die tot wel duizend keer zo zwaar als de zon waren.

Voor sterren geldt echter: hoe zwaarder je bent, hoe sneller je door je brandstof heen gaat. Populatie III-sterren zouden daardoor al na een paar miljoen jaar het loodje hebben gelegd. Ter vergelijking: onze zon heeft een geschatte levensduur van meer dan 10 miljard jaar.

Maar hoe snel deze eerste sterren ook weer van het kosmisch toneel verdwenen: hun invloed was enorm. Voordat ze ontstonden, bestond het heelal uit louter waterstof, helium en minuscule beetjes lithium en beryllium. Zowel tijdens hun leven als hun spectaculaire dood – in de vorm van supernova-explosies – vormden populatie III-sterren zwaardere elementen. Die kwamen vervolgens terecht in volgende generaties sterren, die er nog meer van produceerden. Uiteindelijk leverde dat het heelal op dat wij nu kennen.

Aftrekbare golven

Bewijs voor deze voluptueuze voorouders van onze zon ontbreekt vooralsnog. Maar áls ze er ooit waren, moet een deel ervan zwarte gaten hebben achtergelaten na als supernova te zijn geëxplodeerd. En als twee van die zwarte gaten vervolgens samengingen, moeten daar zwaartekrachtsgolven bij zijn ontstaan. Golven die nu deel uitmaken van de zwaartekrachtsgolvenachtergrond.

Nu hebben we die achtergrond nog niet daadwerkelijk kunnen meten. Daarom simuleerden Martinovic en collega’s er een, op basis van wat we (denken te) weten over het heelal. Uit de computer rolt dan een optelsom van zwaartekrachtsgolven, afkomstig van sterren uit populaties I, II én III. Maar in dat geheel hebben de golven afkomstig van populatie I en II de overhand. Daardoor zul je er geen bewijs voor botsingen tussen populatie III-zwarte gaten uit kunnen halen.

Einde verhaal? Nee, want een deel van de zwaartekrachtsgolven in die zee zal afkomstig zijn van botsingen die we straks wél afzonderlijk kunnen waarnemen, met LIGO-achtige detectoren. Die golven kun je ‘aftrekken’ van de zee. En, zo constateerden Martinovic en haar team: in de zee die je dan overhoudt, zijn wél golven te herkennen die wijzen op populatie III-sterren.

Drie machines

Tenminste… Als we de komende vijftien tot twintig jaar drie flinke detectoren bouwen voor zwaartekrachtsgolven. Houden we het bij één zo’n machine, dan zal die te weinig golven zien die we af kunnen trekken van de zee om populatie III-golven zichtbaar te maken. Maar bouwen we er nog twee, dan zal dat drietal samen wél genoeg aftrekbare golven vinden.

En is het realistisch dat we straks drie van zulke machines hebben? Op zich wel. Europa zet in op de Einstein Telescope, een driehoekige detector voor zwaartekrachtsgolven die mogelijk onder het grensgebied van Nederland, België en Duitsland komt. Ondertussen heeft de VS plannen voor twee Cosmic Explorers: detectors naar het LIGO- recept, maar dan tien keer zo groot.

“Op basis van deze simulaties zou het inderdaad mogelijk kunnen zijn om populatie III-sterren te meten met een netwerk van de Einstein Telescope en twee Cosmic Explorers”, zegt natuurkundige Gideon Koekoek van de Universiteit Maastricht. Wel merkt hij op dat Martinovic en collega’s in hun simulaties uitgaan van samensmeltende objecten die evenveel wegen en niet om hun as tollen. “Dat is een flinke aanname. We zien ook bronnen van zwaartekrachtsgolven waarbij het ene object tot tien keer zo zwaar is als het andere, en in de regel draaien ze wél om hun as.” En als je de golven van al dat soort botsingen in je zee laat zitten, is het volgens Koekoek de vraag of populatie III-golven er écht in te herkennen zijn.

Deze Far Out staat ook in KIJK 1/2022

Bronnen: ArXiv.org, IOPscience

Beeld: NASA/WMAP SCIENCE TEAM

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE






Meer Artikelen