In februari 2016 schreven wetenschappers van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) geschiedenis toen ze de allereerste detectie van zwaartekrachtgolven aankondigden. Sinds die tijd is de studie van zwaartekrachtgolven aanzienlijk vooruitgegaan en heeft het nieuwe mogelijkheden geopend voor de studie van het heelal en de wetten die het besturen.
Zo liet een team van de Universiteit van Frankurt am Main onlangs zien hoe gravitatiegolven kunnen worden gebruikt om te bepalen hoe massieve neutronensterren kunnen worden voordat ze in zwarte gaten instorten. Dit is een mysterie gebleven sinds neutronensterren voor het eerst werden ontdekt in de jaren zestig. En met een nu vastgestelde bovengrens voor massa, zullen wetenschappers een beter begrip kunnen ontwikkelen van hoe materie zich gedraagt onder extreme omstandigheden.
De studie die hun bevindingen beschrijft, verscheen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift The Astrophysical Journal Letters onder de titel "Gravitatiegolf-waarnemingen en quasi-universele relaties gebruiken om de maximale massa van neutronensterren te beperken". De studie werd geleid door Luciano Rezzolla, de voorzitter van de theoretische astrofysica en de directeur van het Instituut voor theoretische fysica aan de universiteit van Frankfurt, met hulp van zijn studenten, Elias Most en Lukas Wei.
Omwille van hun studie heeft het team de recente observaties van de gravitatiegolfgebeurtenis bekend als GW170817 in overweging genomen. Dit evenement, dat plaatsvond op 17 augustus 2017, was de zesde zwaartekrachtsgolf die werd ontdekt door de Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) en Virgo Observatory. In tegenstelling tot eerdere gebeurtenissen was deze uniek omdat hij leek te zijn veroorzaakt door de botsing en explosie van twee neutronensterren.
En terwijl andere gebeurtenissen plaatsvonden op afstanden van ongeveer een miljard lichtjaar, vond GW170817 slechts 130 miljoen lichtjaar van de aarde plaats, wat snelle detectie en onderzoek mogelijk maakte. Bovendien leek de botsing, gebaseerd op modellering die maanden na de gebeurtenis werd uitgevoerd (en met behulp van gegevens verkregen door het Chandra X-ray Observatory), een zwart gat als overblijfsel te hebben achtergelaten.
Het team hanteerde ook een benadering van 'universele relaties' voor hun studie, die enkele jaren geleden werd ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Frankfurt. Deze benadering impliceert dat alle neutronensterren vergelijkbare eigenschappen hebben die uitgedrukt kunnen worden in dimensieloze grootheden. Gecombineerd met de GW-gegevens concludeerden ze dat de maximale massa van niet-roterende neutronensterren niet hoger mag zijn dan 2,16 zonsmassa's.
Zoals professor Rezzolla uitlegde in een persbericht van de Universiteit van Frankfurt:
“Het mooie van theoretisch onderzoek is dat het voorspellingen kan doen. Theorie heeft echter dringend experimenten nodig om enkele van haar onzekerheden te beperken. Het is daarom heel opmerkelijk dat de waarneming van een enkele fusie van binaire neutronensterren die miljoenen lichtjaren verwijderd is, in combinatie met de universele relaties die door ons theoretisch werk zijn ontdekt, ons in staat heeft gesteld een raadsel op te lossen dat in het verleden zoveel speculatie heeft gekend. "
Deze studie is een goed voorbeeld van hoe theoretisch en experimenteel onderzoek kunnen samenvallen om betere modellen en voorspellingen te produceren. Enkele dagen na de publicatie van hun studie bevestigden onderzoeksgroepen uit de VS en Japan de bevindingen onafhankelijk van elkaar. Even belangrijk bevestigden deze onderzoeksteams de bevindingen van de studies met behulp van verschillende benaderingen en technieken.
In de toekomst zal de astronomie van de zwaartekrachtsgolven naar verwachting veel meer gebeurtenissen waarnemen. En met verbeterde methoden en nauwkeurigere modellen die tot hun beschikking staan, zullen astronomen waarschijnlijk nog meer leren over de meest mysterieuze en krachtige krachten die in ons universum aan het werk zijn.
