Een internationaal team onder leiding van het Instituut voor Hoge Energiefysica (IGFAE) van de Universiteit van Santiago de Compostela in Spanje heeft voor het eerst gezamenlijk de "terugslag" -snelheid en -richting van zwarte gaten gemeten na hun fusie. Dit resultaat is gepubliceerd in Nature Astronomy. Onderzoek toont aan dat zwaartekrachtgolven niet alleen energie vervoeren, maar ook momentum, waardoor het uiteindelijke zwarte gat een "aftrap" terugslag krijgt nadat de zwarte gaten zijn samengesmolten, waardoor het met aanzienlijke snelheid door het universum kan bewegen.

Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in de ruimte-tijd, voorspeld door Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie uit 1916. Wanneer extreem dichte en massieve hemellichamen zoals zwarte gaten heftig met elkaar in botsing komen, zullen dergelijke fluctuaties worden aangewakkerd en zich naar alle richtingen van het universum verspreiden. Omdat zwaartekrachtgolven de energie en het momentum van het systeem overbrengen, zal het resulterende zwarte gat, zodra de golfstraling niet volledig symmetrisch is in de ruimtelijke verdeling, terugdeinzen onder de ‘onevenwichtige’ stuwkracht, die ook wel ‘het zwarte gat werd geschopt’ wordt genoemd. De sterkte van de terugslag hangt nauw samen met de massa en spin van de twee initiële zwarte gaten, terwijl de richting van de terugslag afhangt van de geometrische configuratie van het hele systeem in de ruimte.

In het verleden waren wetenschappers vooral in staat om enkele geometrische parameters, zoals de orbitale helling, te meten aan de hand van zwaartekrachtgolfsignalen. Een andere belangrijke hoek, de azimuthoek, was moeilijk nauwkeurig te verkrijgen. Dit onderzoeksteam ontdekte dat de ‘hogere orde modi’ in zwaartekrachtgolven geometrische informatie bevatten die voorheen moeilijk te lezen was, die kan worden gebruikt om deze ontbrekende hoek te herstellen en de driedimensionale richting van de terugslag te berekenen.

De onderzoekers gebruikten de zwaartekrachtgolfgebeurtenis GW190412, die in 2019 gezamenlijk werd gedetecteerd door Advanced LIGO en Virgo observatoria, als monster om de methode te verifiëren. In dit geval zijn de massa's van de twee zwarte gaten duidelijk niet gelijk, zodat ze duidelijk waarneembare hogere-orde-moduskenmerken in het signaal vertonen, wat zeer geschikt is voor nauwkeurige analyse. Door middel van nauwkeurige numerieke simulaties op basis van de vergelijkingen van Einstein heeft het team berekend dat de terugslagsnelheid van het samengevoegde zwarte gat groter is dan 50 kilometer per seconde, wat snel genoeg is om te ontsnappen uit sommige dichte sterrenhopen (zoals sommige bolvormige sterrenhopen). De Bayes-factor die door statistische analyse wordt gegeven, bedraagt ​​ongeveer 21, wat overeenkomt met een betrouwbaarheidsniveau van ongeveer 95%, wat een sterke ondersteuning biedt voor deze conclusie.

Bij het bepalen van de snelheid vergeleek het team ook de terugslagrichting met referentierichtingen zoals de baanas van het systeem en de aardobservatierichting. De resultaten toonden aan dat de "kick" niet langs het baanvlak plaatsvond, en ook niet rechtstreeks op de aarde gericht was, maar in een tussenliggende richting tussen de twee. Professor Juan Calderon-Bustillo, een van de projectleden, maakte een analogie: het zwaartekrachtgolfsignaal is als een orkest. Afhankelijk van de positie van een persoon zullen de gehoorde 'instrumenten' anders zijn, en dit 'toonkleurverschil' helpt wetenschappers het bewegingstraject van het zwarte gat in de driedimensionale ruimte te reconstrueren. Dr. Kustav Chandra van de Pennsylvania State University wees erop dat deze methode gelijkwaardig is aan het reconstrueren van de ware beweging van hemellichamen op miljarden lichtjaren afstand, waarbij alleen gebruik wordt gemaakt van "rimpelingen" in ruimte en tijd.

De auteur zei dat dergelijke nauwkeurige terugslagmetingen vooral belangrijk zijn voor het bestuderen van samensmeltingen van zwarte gaten die plaatsvinden in speciale omgevingen. In actieve galactische kernen met accretieschijven kunnen samensmeltingen van zwarte gaten bijvoorbeeld gepaard gaan met signalen zoals zichtbaar licht en elektromagnetische straling. Of we deze flitsen kunnen waarnemen, hangt grotendeels af van de relatieve geometrische relatie tussen de terugslagrichting en de aarde. Daarom kan het kennen van de terugslagrichting astronomen helpen te beoordelen of een bepaalde zwaartekrachtsgolfgebeurtenis en een elektromagnetische uitbarsting werkelijk uit dezelfde kosmische gebeurtenis voortkomen, of dat het slechts toeval in de tijd is.

Het onderzoeksteam is van mening dat dit werk aangeeft dat de astronomie van zwaartekrachtsgolven geleidelijk het stadium verlaat waarin "alleen hoorfusies plaatsvinden" en een nieuw stadium betreedt waarin de ruimtelijke structuur en dynamische processen van gebeurtenissen nauwgezet in kaart kunnen worden gebracht. In de toekomst, naarmate de detectorgevoeligheid toeneemt en het aantal gebeurtenissen toeneemt, zal het gelijktijdig meten van de terugslagsnelheid en richting van zwarte gaten een routinemethode worden, waardoor de wetenschappelijke gemeenschap beter kan begrijpen hoe zwarte gaten groeien en migreren in het universum, en de evolutie van sterrenstelsels en grootschalige structuren vorm kan geven.