Met zwaartekrachtgolven nieuwe deeltjes vinden rond zwarte gaten

De Universiteit van Amsterdam en Harvard University laten zien dat wolken van ultralichte deeltjes een patroon achterlaten in zwaartekrachtgolven die door binaire zwarte gaten worden uitgezonden.

Trefwoorden: #astronomie, #zwaartekracht, #zwart gat

Lees verder

research

( Foto: Universiteit van Amsterdam )

ENGINEERINGNET.BE - Zwarte gaten kunnen een deel van hun massa verliezen, in een proces dat bekend staat als superradiantie. Dit proces kan alleen effectief zijn als in de natuur ook nieuwe, tot nog toe niet waargenomen deeltjes met een heel kleine massa bestaan, zoals ook wordt voorspeld door verschillende theorieën die het Standaardmodel van de deeltjesfysica uitbreiden.

Wanneer massa door superradiantie aan een zwart gat onttrokken wordt, vormt die materie een grote wolk rond het zwarte gat, en ontstaat daarmee een zogeheten gravitationeel atoom.

Hoewel zo’n gravitationeel atoom immens veel groter is, is de vergelijking met sub-microscopische atomen accuraat, vanwege de gelijkenissen tussen het zwarte gat met zijn materiewolk en de bekende structuur van gewone atomen, waar wolken van elektronen een kern van protonen en neutronen omhullen.

UvA-natuurkundigen Daniel Baumann, Gianfranco Bertone en Giovanni Maria Tomaselli, en Harvard-natuurkundige John Stout, stellen dat deze gelijkenis ook bruikbaar is om met toekomstige zwaartekrachtsgolf-interferometers nieuwe deeltjes te ontdekken.

De onderzoekers bestudeerden het gravitationele equivalent van het zogeheten ‘foto-elektrische effect’. In dit proces absorberen gewone elektronen de energie van invallende lichtdeeltjes, waarbij ze uit het materiaal worden uitgestoten: de atomen ‘ioniseren’.

In het gravitationele equivalent wordt het ‘atoom’, wanneer het deel uitmaakt van een binair systeem van twee zware objecten, verstoord door de aanwezigheid van de massieve begeleider, zelf bijvoorbeeld ook een zwart gat of een neutronenster.

Net zoals de elektronen bij het foto-elektrische effect de energie van het invallende licht absorberen, zo kan ook de wolk ultralichte deeltjes de draai-energie van de begeleider absorberen, met als gevolg dat een deel van de wolk wordt uitgestoten uit het gravitationele atoom.

Het team toonde aan dat dit de evolutie van zulke binaire systemen sterk kan beïnvloeden, wat ertoe leidt dat de tijd die nodig is voor de componenten om samen te smelten verkort wordt.

Ook wordt de ionisatie van het gravitationele atoom versterkt op specifieke afstanden tussen de bouwstenen, wat leidt tot duidelijke signalen in de zwaartekrachtgolven die van zulke samensmeltingen zijn opgevangen.

Toekomstige zwaartekrachtgolf-interferometers zouden deze effecten moeten kunnen waarnemen. Het terugvinden van de voorspelde signalen, afkomstig van gravitationele atomen, zou overtuigend bewijs vormen voor het bestaan van nieuwe, ultralichte deeltjes.