Astronomen hebben ‘zwart goud’ gevonden, een schat aan samensmeltingen van zwarte gaten. De ontdekking werd gedaan door rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd, oftewel de ruimtetijd, te analyseren: zwaartekrachtgolven. Deze enorme verzameling fusies, opgenomen in de Gravitational Wave Transient Catalogue-5.0 (GWTC-5), die dinsdag 26 mei 2026 werd gepubliceerd, zou ons begrip van hoe zwarte gaten elkaar ontmoeten en botsen wel eens kunnen veranderen.
De nieuwste catalogus bevat 161 nieuwe zwaartekrachtsgolfsignalen die zijn voortgebracht door samensmeltende zwarte gaten en die zijn “opgevangen” door de iconische zwaartekrachtsgolfdetectoren LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), Virgo en KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector) tussen april 2024 en eind januari 2025. Hiermee komt het totale aantal via zwaartekrachtgolven gedetecteerde fusies van zwarte gaten op 390. Tot de hoogtepunten van GWTC-5 behoren de waarneming van “fusies van de tweede generatie”, botsingen tussen twee zwarte gaten die bij eerdere fusies waren ontstaan, en de fusie die tot nu toe het nauwkeurigst is gelokaliseerd. Terwijl het eerste ons zou kunnen helpen om meer inzicht te krijgen in de keten van fusies waardoor zwarte gaten kunnen uitgroeien tot massa’s die miljoenen of zelfs miljarden keren zo groot zijn als die van de zon, zou het laatste kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van een methode om aan de hand van dergelijke gebeurtenissen en hun zwaartekrachtsgolfsignalen de snelheid te meten waarmee het heelal uitdijt.
“Deze omvangrijke update heeft onze kennis van het heelal opnieuw verbreed en verdiept, en ons veel meer glimpen gegeven van de meest ongrijpbare objecten ervan: botsende zwarte gaten,” zei Daniel Williams, een onderzoeker aan het Institute for Gravitational Research, in een verklaring. "We detecteren nu zoveel van deze signalen dat we niet alleen meer te weten komen over individuele botsingen; het is het astronomische equivalent van het blootleggen van een oude beschaving. “De nieuwe resultaten van vandaag zijn als het vinden van een voorheen onontdekte schat, die niet alleen individuele levens onthult, maar de structuur van een hele verloren wereld.”
Wat zijn zwaartekrachtgolven?
Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst voorgesteld in 1915 als onderdeel van Albert Einsteins zwaartekrachttheorie, ook wel bekend als de algemene relativiteitstheorie. De algemene relativiteitstheorie stelt dat objecten met massa ervoor zorgen dat de ruimtetijd (de vierdimensionale eenheid van ruimte en tijd) kromt. Zwaartekracht ontstaat door deze kromming, wat betekent dat hoe groter de massa, hoe groter de kromming van de ruimtetijd en hoe sterker de zwaartekrachtinvloed. De algemene relativiteitstheorie gaat nog verder en suggereert ook dat wanneer objecten in de ruimtetijd versnellen, ze rimpelingen veroorzaken die zich met de snelheid van het licht naar buiten verspreiden: zwaartekrachtgolven. Hoewel Einstein deze rimpeling van de ruimtetijd aanvankelijk voorspelde, had hij het op één punt mis: hij dacht dat de mensheid ze nooit zou kunnen detecteren.
LIGO detecteerde in 2015 voor het eerst zwaartekrachtgolven; het signaal kwam van de botsing en fusie van twee massieve zwarte gaten op ongeveer 1,3 miljard lichtjaar afstand. Sindsdien heeft LIGO, samen met de andere detectoren Virgo en KAGRA, zwaartekrachtgolven gedetecteerd van vele fusies tussen paren zwarte gaten, paren ultradichte neutronensterren, en zelfs gemengde fusies tussen een zwart gat en een neutronenster. De gevoeligheid van de zwaartekrachtgolfdetectoren is de afgelopen jaren alleen maar toegenomen; momenteel worden er tijdens observatiefasen wel drie tot vier keer per week signalen waargenomen, met tussendoor onderbrekingen waarin de gevoeligheid verder kan worden verbeterd. “Nog maar tien jaar geleden hebben we voor het eerst zwaartekrachtgolven van een van deze gebeurtenissen gedetecteerd, en het is een echt bewijs van het werk van honderden wetenschappers over de hele wereld dat we er nu honderden detecteren en analyseren,” zei Williams.
De waarnemingen van zwaartekrachtgolven zorgen voor veel ophef
Twee indrukwekkende voorbeelden van het belang van de gegevens van GWTC-5 zijn de signalen GW241011 en GW241110, die respectievelijk op 11 oktober 2024 en 11 november 2024 zijn waargenomen. Ze zijn het resultaat van twee fusies op 700 miljoen lichtjaar en 2,4 miljard lichtjaar afstand, en de snelle rotatie van de betrokken zwarte gaten en de richting van die rotatie impliceerden dat deze vier zwarte gaten objecten van de tweede generatie waren, wat betekent dat ze zijn ontstaan door eerdere fusies.
“Deze twee waarnemingen vertoonden kenmerkende tekenen dat het grotere zwarte gat in elk paar niet rechtstreeks uit een massieve ster was ontstaan, maar uit een eerdere fusie van twee zwarte gaten,” zei Storm Colloms van het Institute for Gravitational Research in de verklaring. “De kenmerken van zwarte gaten die zijn gevormd uit eerdere fusies blijven bestaan in de populatie als geheel, wat aangeeft dat GW241011 en GW241110 geen unieke gevallen zijn, maar een onderliggende trend weerspiegelen. We hebben nu steeds meer bewijs dat er manieren zijn waarop het universum samensmeltende zwarte gaten creëert, naast die welke afkomstig zijn van massieve dubbelsterren.” Dit wijst erop dat deze twee fusies plaatsvonden in dichtbevolkte stellaire omgevingen, iets wat moeilijk te onderzoeken zal zijn omdat het niet eenvoudig is om een zwaartekrachtsgolfsignaal terug te voeren naar zijn oorsprongspunt. Dat is niet altijd het geval, zoals bleek uit het signaal GW240615, dat op 15 juni 2024 werd gedetecteerd.
Door de samensmelting van een zwart gat met een massa van 26 zonsmassa’s en een zwart gat met een massa van 30 zonsmassa’s op een afstand van meer dan 3 miljard lichtjaar, konden zwaartekrachtgolfastronomen GW240615 lokaliseren tot een gebied aan de hemel van slechts 6 vierkante graden. Daarmee is GW240615 het tot nu toe meest nauwkeurig gelokaliseerde zwaartekrachtgolfsignaal. “De bijgewerkte GWTC-5.0-catalogus biedt ons een veel grotere verzameling zwaartekrachtsgolfsignalen om een van de grootste vragen in de kosmologie te helpen beantwoorden: hoe snel dijt het heelal uit?” aldus Alex Papadopoulos van het Institute for Gravitational Research in de verklaring. "De snelheid van deze uitdijing wordt beschreven door een waarde die de Hubble-constante wordt genoemd. Zwaartekrachtgolven stellen ons in staat dit te meten door te schatten hoe ver samensmeltende objecten van ons verwijderd zijn, hetzij rechtstreeks aan de hand van het signaal zelf, hetzij door de melkweg te identificeren waar de samensmelting plaatsvond.
“Elke gebeurtenis levert een kleine hoeveelheid informatie op, dus samen zorgen deze extra signalen voor een aanzienlijke verbetering van onze resultaten. Al deze verbeteringen samen helpen ons de Hubble-constante nauwkeuriger dan ooit tevoren te meten met behulp van zwaartekrachtgolven, waardoor we dichter bij het beantwoorden van een van de belangrijkste open vragen in de moderne fysica komen.” Wat ook opvalt in deze nieuwste catalogus is het zwaartekrachtsgolfsignaal GW250114, dat op 14 januari 2025 werd waargenomen. Aangenomen wordt dat dit het resultaat is van een botsing en samensmelting van een zwart gat met een massa van 34 zonsmassa's en een zwart gat met een massa van 32 zonsmassa's op een afstand van ongeveer 1 miljard lichtjaar. Dit signaal was zo duidelijk dat onderzoekers hiermee de meest nauwkeurige test van de algemene relativiteitstheorie ooit konden uitvoeren, en bovendien een door Stephen Hawking geïntroduceerd concept konden bevestigen, de zogenaamde stelling van de oppervlakte van zwarte gaten.
“Dankzij de luidheid van GW250114 kunnen we de gekromde ruimte-tijd vóór en na de fusie van de zwarte gaten vergelijken, en we hebben vastgesteld dat de totale oppervlakte van de waarnemingshorizonnen (de buitenste grens van een zwart gat die licht vasthoudt) is toegenomen in overeenstemming met de wetten van Hawking inzake de mechanica van zwarte gaten,” aldus John Veitch van de Universiteit van Glasgow in de verklaring. "Na de fusie klinkt het uiteindelijke zwarte gat als een klok, waarbij het zwaartekrachtgolven uitzendt in plaats van geluid. Analyse van deze golven bevestigde dat, hoewel er tijdens de fusie energie wordt afgegeven in de vorm van zwaartekrachtgolven, de totale entropie van de zwarte gaten toeneemt in overeenstemming met de tweede wet van de thermodynamica.
“Dit toont aan dat de wetten van de thermodynamica zelfs voor zwarte gaten gelden, maar in tegenstelling tot gewone objecten geldt dat hoe meer energie ze bevatten, hoe kouder ze worden.” Het is zeer waarschijnlijk dat LIGO, Virgo en KAGRA nieuwe ontdekkingen op het gebied van zwaartekrachtgolven zullen doen die ons begrip van het heelal en de meest gewelddadige gebeurtenissen daarin opnieuw zullen definiëren. De detectoren staan op het punt om later dit jaar te beginnen aan een tussenliggende observatiecyclus (IR1) van zes maanden. Dit zal de kloof overbruggen tussen het einde van Observing Run 4, die op 18 november 2025 afliep, en het begin van Observing Run 5, die tussen 2028 en 2031 zal plaatsvinden.
Bron: Space.com
