ENGINEERINGNET.BE - Het mechanisme dat de detectie van nieuwe deeltjes mogelijk maakt, wordt superradiantie van zwarte gaten genoemd.
Als een zwart gat snel genoeg draait, kan het een deel van zijn massa afzetten in een wolk van deeltjes eromheen. Het gecombineerde systeem van zwart gat en wolk wordt een zwaartekrachtatoom genoemd.
Omdat superradiantie alleen efficiënt is als de deeltjes veel lichter zijn dan de deeltjes die tot nu toe in experimenten zijn gemeten, biedt dit proces de unieke mogelijkheid om het bestaan te onderzoeken van nieuwe deeltjes, bekend als ultralichte bosonen.
Het bestaan daarvan zou verschillende puzzels in de astrofysica, kosmologie en deeltjesfysica kunnen oplossen.
De evolutie van de banen van binaire zwarte gaten in de aanwezigheid van wolken van ultralichte bosonen is de afgelopen jaren door wetenschappers van de Nederlandse Universiteit van Amsterdam (UvA) bestudeerd.
Dit leidde tot de ontdekking van resonante overgangen, waarbij de wolk van de ene toestand naar de andere springt, vergelijkbaar met hoe een elektron in een gewoon atoom tussen banen kan springen.
Een ander nieuw fenomeen is ionisatie, waarbij een deel van de wolk wordt afgestoten. Beide effecten laten karakteristieke signalen achter in de uitgezonden zwaartekrachtgolven, maar de details van dergelijke signalen zijn afhankelijk van de precieze, en tot nu toe onbekende, toestand van de deeltjeswolk.
Om deze resterende details in te vullen, combineert de nieuwe studie alle eerdere resultaten en volgt de geschiedenis van het systeem vanaf de vorming van het binaire zwarte gat tot aan het samensmelten van de zwarte gaten. De UvA werkte voor dit onderzoek samen met het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen.
De onderzoekers ontdekten dat er twee mogelijke eindstadia zijn van de evolutie van een dergelijk systeem. Als de zwarte gaten en de wolk aanvankelijk in tegengestelde richtingen draaien, overleeft de wolk in de toestand die oorspronkelijk werd gecreëerd door superradiatie, en wordt hij detecteerbaar door zijn ionisatie, die een duidelijke signatuur achterlaat in de zwaartekrachtgolven.
In alle andere gevallen vernietigen resonante overgangen de wolk, en krijgen de banen van de twee componenten een heel specifieke excentriciteit en inclinatie, waarvan de waarden kunnen worden gemeten uit het zwaartekrachtgolfsignaal.
Dit biedt een zoekstrategie voor nieuwe deeltjes: via de detectie van ionisatie-effecten in zwaartekrachtgolfvormen, of via de observatie van een abnormale overmaat aan systemen met de voorspelde waarden van excentriciteit en inclinatie.
Voor beide gevallen zullen de komende zwaartekrachtgolfobservaties interessante informatie onthullen over de vraag of er nieuwe ultralichte deeltjes bestaan.
