Simulatie van interacties van drie zwarte gaten beloond met een 10

De Nederlandse student Arend Moerman van de universiteit van Leiden heeft zijn proefschrift verdedigd over de simulatie van de chaotische interacties van drie zwarte gaten. De simulaties, die hij samen met onderzoekers uit Leiden en Oxford uitvoerde, laten zien dat lichtere zwarte gaten de neiging hebben om samen te smelten. Het onderzoek zal worden gepubliceerd in het toonaangevende tijdschrift Physical Review D.

Simulaties van drie zwarte gaten beloond met een tien
Een simulatie van de banen van drie op elkaar inwerkende zwarte gaten. De linker afbeelding toont het overzicht. Op de rechteropname is ingezoomd. De blauwe en rode zwarte gaten vloeien in elkaar ver. Credit: Boekholt en anderen.

De Leidse masterstudent astronomie Arend Moerman deed een jaar onderzoek naar de dynamische interacties en botsingen tussen drie denkbeeldige zwarte gaten. De interacties tussen drie lichamen zoals sterren of planeten of zwarte gaten kunnen niet worden voorspeld met een elegante formule. Moerman gebruikte daarom een computer die berekent wat er gedurende een korte tijd gebeurt en het resultaat vervolgens gebruikt voor de volgende periode.

Uitgebreid met de relativiteitstheorie

De computercode is een uitgebreide versie van de code  die in 2020 en 2018 door eerste auteur Tjarda Boekholt (universiteit van Oxford) en coauteur Simon Portegies Zwart (sterrenwacht Leiden, universiteit van Leiden) werd gebruikt. De nieuwe uitgebreide versie maakt ook gebruik van de relativiteitstheorie van Einstein. Dit is belangrijk omdat de relativiteitstheorie vooral bij zware objecten zoals zwarte gaten een grote rol speelt.

De onderzoekers varieerden de massa’s van de drie op elkaar inwerkende zwarte gaten. Ze begonnen met één zonsmassa en gingen tot een miljard zonsmassa’s.

Omslagpunt

Rond de 10 miljoen zonsmassa’s leek er een omslagpunt te zijn. In de simulaties stoten zwarte gaten die lichter zijn dan ongeveer 10 miljoen zonsmassa’s elkaar meestal af door een zwaartekrachtskatapult. Zwarte gaten zwaarder dan ongeveer 10 miljoen zonsmassa beginnen samen te smelten. Het derde zwarte gat volgt later. De zwarte gaten smelten samen omdat ze kinetische energie verliezen en dat komt doordat ze zwaartekrachtsgolven uitzenden.

Volgens Simon Portegies Zwart heeft het werk van Arend geleid tot een nieuw begrip van hoe zwarte gaten superzwaar worden. In de simulaties ziet men dat zware zwarte gaten niet eindeloos om elkaar heen blijven bewegen maar dat, als ze zwaar genoeg zijn, ze vrijwel onmiddellijk botsen.

Moerman kreeg voor zijn masterscriptie het hoogst mogelijke cijfer, een tien. Inmiddels is hij een tweede afstudeeronderzoeksproject gestart over DESHIMA, een Nederlands-Japanse spectroscoop op een chip.

Eerste publicatie: 20 oktober 2021
Bron: Nederlandse Onderzoeksschool voor Astronomie