📰 Grootste versmelting van zwarte gaten ooit door wetenschappers ontdekt

[R_Bena]

Een groep internationale onderzoekers heeft de grootste fusie van twee zwarte gaten tot nu toe waargenomen. Deze ontdekking wordt met veel enthousiasme onthaald door wetenschappers wereldwijd.

De fusie werd gedetecteerd aan de hand van zwaartekrachtgolven. Zwarte gaten staan bekend om hun extreem sterke zwaartekracht, waardoor niets eraan kan ontsnappen.

https://nos.nl/artikel/2575082-wetensch ... gaten-ooit

[Jan- gyro]

WAUW !

[Regor]

In welk stadium van de fusie ...... want bij mijn weten kunnen ook daar miljoenen jaren over gaan ?

[jkien]

Het signaal, de gedetecteerde zwaartekrachtsgolf, duurde slechts een fractie van een seconde. (link)

[Regor]

@Jkien,

Sorry, is geen antwoord op mijn vraag.
Trouwens, ik kan niet aannemen dat de merging van twee zwarte gaten maar een seconde duurt .....omdat de vastgestelde zwaartekracht golf maar een fractie van een seconde duurde.

Wie weet er meer over ?

[Jan- gyro]

Als jullie ook willen weten hoe een zwart gat 'geboren' wordt, zie actueel van Govert Schilling https://www.allesoversterrenkunde.nl/ac ... htstreeks/

[Gast]

@Jkien,

Sorry, is geen antwoord op mijn vraag.
Trouwens, ik kan niet aannemen dat de merging van twee zwarte gaten maar een seconde duurt .....omdat de vastgestelde zwaartekracht golf maar een fractie van een seconde duurde.

Wie weet er meer over ?

Het klopt dat de samensmelting van twee zwarte gaten als geheel (dus het ontstaan en evolueren van het binaire systeem) miljoenen jaren kan duren. Maar wat we met detectoren zoals LIGO waarnemen, en wat meestal bedoeld wordt met “de merger”, is alleen de laatste halve seconde van dat hele proces.

Dus het interessante is alleen het deel dat wij via zwaartekrachtsgolven waarnemen en dus waarmee we echt iets kunnen, en dat speelt zich af in een fractie van een seconde.

Het verloopt grofweg in drie fasen:


1. De Inspiral (milliseconden–seconden)

Twee zwarte gaten draaien in een steeds nauwere baan om elkaar door energieverlies via zwaartekrachtsgolven. Hun omloopsnelheid neemt toe.

Zwaartekrachtsgolvendetectoren meten een langzaam in amplitude en frequentie stijgend “chirp”-signaal (fluittoon). In de eerste paar milliseconden is het nog zwak, daarna neemt het snel toe tot het detecteerbaar wordt. Het bevat veel informatie over de massa’s en spins.


2. De Merger (≤ ~10 milliseconden)

De twee zwarte gaten smelten samen tot één sterk vervormd zwart gat.

Wat LIGO/Virgo/ik hier meet is kort maar krachtig. Een scherpe piek in amplitude, het luidste deel in de hele serie. Moeilijker nauwkeurig te modelleren (tenzij via numerieke relativiteitssimulaties), maar zeer belangrijk voor het bevestigen van de waarneming.


3. De Ringdown (≤ ~20 milliseconden)

Het pasgevormde zwarte gat is niet perfect bolvormig maar ‘trilt uit’, zoals een klok die je een klap geeft. Die trillingen heten quasi-normal modes.

Er volgt een sinusachtig signaal met afnemende amplitude en een vaste frequentie, dat snel wegsterft. Kort en relatief zwak dus, maar wél belangrijk: het bevestigt dat het eindobject echt een Kerrtotalt gat is, precies zoals algemene relativiteit voorspelt.

De tijdschaal bij GW150914 was dan ook als volgt:

Inspiral + merger + ringdown: totaal ongeveer 0,2 seconde

Inspiral: enkele tienden van een seconde, eindigend in een piek

Merger: enkele milliseconden

Ringdown: tién tot twintig milliseconden



Boven: Geschatte amplitude van de zwaartekrachtgolf van GW150914 bij de Hanford-detector. Daarboven zijn de Schwarzschild-horizonnen van beide samensmeltende zwarte gaten weergegeven, numeriek berekend op basis van de algemene relativiteitstheorie.
Onder: De effectieve afstand van de zwarte gaten in eenheden van Schwarzschild-stralen RS en de relatieve snelheid in eenheden van de lichtsnelheid. [Afbeelding: LIGO / Herontwerp: Daniela Leitner]

Voor de volledigheid: vrijwel alle gemeten black hole mergers hebben een quasi-circulaire baan vlak voor de fusie.



Zie eventueel ook hier:

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Binary_ ... #Lifecycle

Dergelijke mooie, schone sinusgolf zien de wetenschappers bij LIGO en co natuurlijk op een monitor of scherm, in werkelijkheid is het een stuk rommeliger en complexer dan dat. Vooral veel ruis.


Het volledig detecteerbare signaal duurde bij deze nieuwe recordbrekende merger, GW231123, ongeveer 0,1 seconde. Dat is de inspiral, merger en ringdown gezamenlijk, alles wat met LIGO/Virgo/KAGRA zichtbaar is.

Waarom zo kort in hemelsnaam? .............. zou je misschien denken.

Nou, hoe massiever, hoe lager de frequentie, dus hoe sneller de detecteerbare fase:

Zwaardere zwarte gaten stralen zwaartekrachtgolven die sneller boven de gevoeligheid van onze detectoren uitstijgen en ze “fuseren” kort daarna.

De inspiralfase beperkt tot detecteerbaar bereik. Voor zulke zware systemen is er vrijwel geen lange, zachtere inspiralfase binnen LIGO's bandbreedte; de detector pikt alleen de allerlaatste draaien en de mergerfase.

Ter vergelijking:

Merger - Massa (som van) - Detectietijd

GW150914 ~65 M☉ ~0,2 s
GW190521 ~150 M☉ ~0,1 s
GW231123 ~225 M☉ ~0,1 s

Ook voor deze recordfusie toont LIGO slechts ongeveer één tiende van een seconde van zwaartekrachtsgolven.

De inspiral, merger en ringdown duren superduperkort, tis het eindspel van een miljoenen jaren durende kosmische dans.


PS.

GW231123 staat voor Gravitational Wave 23 november 2023. Omdat dit het meest extreme en complex signaal ooit is, hoogste massa’s, enorme spins, en dus extra grondig geanalyseerd moest worden.

[HansH]

je zegt:"Er volgt een sinusachtig signaal met afnemende amplitude en een vaste frequentie, dat snel wegsterft."
ik neem aan dat dat komt omdat de hele structuur achter de waarnemingshorizon verdwijnt en dus de effecten niet meer naar buiten toe kunnen.

Maar wat gebeurt er dan van binnen vraag ik me dan af? gaat die ringdown dan nog een tijdje door tot alles de singulariteit bereikt heeft? Ik begreep ook dat de singulariteit een punt is wat altijd in de toekomst ligt, dus feitelijk nooit bereikt wordt. Gaat die ringing dan gewoon door omdat die feitelijk de singulariteit nooit bereikt, maar zich concentreert op een steeds kleinere schaal omdat niets daaruit kan ontsnappen?

[Gast]

Nee, de sinusvormige oscillaties die we meten tijdens de ringdownfase hebben niets te maken met het fysieke proces binnenin de waarnemingshorizon.

Je kunt het zien als een klok die tikt: de trillingen (quasinormale modes) zijn een soort ‘galm’ in de gekromde ruimtetijd vlak buiten de horizon, die langzaam uitdoven doordat het zwarte gat energie uitstraalt via zwaartekrachtsgolven. Dit zijn eigenschappen van het zwaartekrachtsveld rondom het zwarte gat, dus het “oppervlak” van het zwarte gat, niet de binnenkant.

Wat betreft de singulariteit: in de gebruikte coördinaten (bijvoorbeeld Schwarzschildcoördinaten) ligt de singulariteit inderdaad in de toekomst van elk vrij vallend object dat de horizon passeert. Dit betekent niet dat de singulariteit “nooit bereikt wordt”, maar juist dat het onvermijdelijk is: zodra je binnen de horizon bent, ligt de singulariteit in jouw toekomst en zul je die binnen een eindige eigen tijd ervaren.

De ringdown heeft hier dus niets mee te maken.

[HansH]

Nee, de sinusvormige oscillaties die we meten tijdens de ringdownfase hebben niets te maken met het fysieke proces binnenin de waarnemingshorizon.

Je kunt het zien als een klok die tikt: de trillingen (quasinormale modes) zijn een soort ‘galm’ in de gekromde ruimtetijd vlak buiten de horizon, die langzaam uitdoven doordat het zwarte gat energie uitstraalt via zwaartekrachtsgolven. Dit zijn eigenschappen van het zwaartekrachtsveld rondom het zwarte gat, dus het “oppervlak” van het zwarte gat, niet de binnenkant.

Dat was volgens mij ook wat ik Zei: 'niets kan van binnen de horizon ontsnappen' dus ook geen informatie van dat deel van het ringdown proces wat al uit beeld is verdwenen voor de externe waarnemer.

Het punt wat ik wilde maken is dat alles uiteindelijk naar binnen valt dus voor ons uit het zicht verdwijnt inclusief de restanten van de merger. Vandaar dat ik me af vroeg wat er dan op dat moment met dat samensmeltingsproces gebeurt binnen de horizon. Je zou dat kunnen volgen door een vrij vallende warnemer mee te laten vallen. (even aannemende dat die een ultieme bescherming zou hebben voor de heftige bijverschijnselen)

Dus als alles aan de buitenkant weer rustig begint te worden aan het einde van de ringdown, wat gebeurt er dan aan de binnenkant nog voor heftigs wat dan op steeds kleinere schaal zal moeten plaatsvinden?

[Regor]

@2up1down,

Dank U,
Zeer boeiend en verassend.
Wat ik niet goed begrijp is dat ... als de ZG zo lang om elkaar cirkelen , er toch ook een quadripool moment gegenereerd wordt
die zwaartekracht golven uitzend ...... of formuleer ik het verkeerd ? ..... sorry, ben maar een amateur.

[Gast]

Jawel, die stralen al lang zwaartekrachtsgolven uit, maar zo zwak dat het totaal onmeetbaar is, zelfs met toekomstige detectoren zoals LISA.

De maan die om de aarde draait zendt ook zwaartekrachtsstraling uit (gravitationele radiatie, zwaartekrachtgolven, allemaal hetzelfde), maar ook dat effect is veel te klein om ooit te detecteren. Het quadrupoolmoment verandert wel, maar zó langzaam en zó gering dat het signaal praktisch nul is.


@HansH

Wat er precies binnen de gezamenlijke horizon gebeurt tijdens of na de samensmelting van twee zwarte gaten is eigenlijk grotendeels onbekend terrein, ook vanuit het perspectief van klassieke algemene relativiteit.

Voor een vrij vallende waarnemer die met het samensmeltende systeem meevliegt, is er op zich niets 'magisch' aan de horizon zelf. Die kruist hij gewoon in eindige eigentijd, zonder dat hij dat lokaal merkt. De dynamiek van de samensmelting zet zich binnen de gezamenlijke horizon voort, waarbij de ruimtetijd extreme krommingsgradiënten ontwikkelt en lokaal verder instort.

Maar wat zich daar precies afspeelt, zeker in het binnenste waar je richting de centrale singulariteit gaat, weten we niet. Zelfs klassieke simulaties (numerieke relativiteit) zijn daar lastig uit te voeren, deels omdat alles daar snel divergeert, en deels omdat het buiten onze waarneembare horizon ligt, dus fundamenteel niet observeerbaar voor ons.

In klassieke ART verwacht je dat het binnenin uitmondt in een sterk dynamische en anisotrope BKL-singulariteit, waarbij de kromming op chaotische wijze divergeert. Maar dat model stamt uit de jaren ’70; hippies, flowerpower en LSD en is strikt klassiek-psychedelisch. In werkelijkheid zal de kwantumzwaartekracht daar cruciaal worden, en daarvan hebben we nog geen definitieve theorie.

Dus jouw idee van een “ultiem beschermde” waarnemer is leuk als gedachte-experiment, maar er is gewoon geen betrouwbare manier om te zeggen wat hij daarbinnen precies zou meten. Wat we wel weten, is dat de interne structuur van de ruimtetijd verder instort tot een singulariteit (klassiek gezien dan; niet kwantummechanisch ... of psychedelisch).

[R_Bena]

Johan Samsing, astrofysicus aan het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen, die niet betrokken was bij het onderzoek, denkt dat de nieuwe ontdekking ons iets nieuws kan leren over het heelal.

‘Het is een ongelooflijk belangrijke aanwijzing dat het heelal zwarte gaten creëert op een manier die we nooit hadden verwacht,’ zegt hij in een interview met Wetenschap in Beeld.

Zwaarste systeem met twee zwarte gaten
De onderzoekers vonden niet één, maar twee zwarte gaten die 100 keer en 140 keer zoveel wogen als de zon. De twee zijn op elkaar gebotst en wegen nu dus 240 zonnemassa’s.

De zwarte gaten in het systeem met de naam GW231123 draaien met een zeer hoge snelheid om zichzelf en zijn zwaarder dan de bekende theorieën toelaten, legt Samsing uit.