Search for gravitational waves associated with high-energy neutrinos detected by IceCube during the third observing run of LIGO-Virgo

Het Kosmische Detectivestory: Op zoek naar Geesten en Rimpelingen

Stel je het universum voor als een enorme, chaotische concertzaal. Een lange tijd konden we alleen naar de muziek luisteren met onze oren—door licht, radiogolven en röntgenstraling te detecteren. Maar in 2015 bouwden we eindelijk een nieuw soort instrument dat de trillingen van de zaal zelf kon "voelen". Dit zijn zwaartekrachtgolven: rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd veroorzaakt door massieve objecten, zoals zwarte gaten of neutronensterren, die tegen elkaar aan botsen. Het is alsof je de vloer voelt schudden wanneer er op een enorme trommel wordt geslagen, zelfs als je de drummer niet kunt zien.

Tegelijkertijd zijn er andere kosmische boodschappers genaamd neutrino's. Dit zijn minuscule, spookachtige deeltjes die door het universum razen zonder bijna ergens tegenaan te botsen. Ze worden geproduceerd bij de meest gewelddadige explosies in de kosmos, zoals de stervende laatste momenten van massieve sterren. Omdat ze zo moeilijk te vangen zijn, is het vinden van één enkele neutrino als het spotten van één specifiek zandkorreltje in een zandstorm in de woestijn.

Wetenschappers hebben een grote vraag: gebeuren deze twee dingen tegelijkertijd? Wanneer een massieve ster explodeert of twee dode sterren samensmelten, sturen ze dan zowel een zwaartekrachtelijke "dreun" als een hoogenergetische neutrino-"geest" tegelijkertijd uit? Als we beide van hetzelfde evenement zouden kunnen vangen, zou dat zijn alsof je de trommelslag hoort en de drummer tegelijkertijd een licht flits ziet geven. Het zou bevestigen welk type kosmisch geweld precies het signaal heeft gecreëerd. Dit artikel gaat over een team van astronomen dat probeert deze twee boodschappers op heterdaad te betrappen, met behulp van de meest gevoelige detectoren ter wereld.

De Grote Kosmische Jacht

In dit onderzoek trad een team van onderzoekers op als kosmische detectives, zoekend naar een specifiek type plaats delict: een hoogenergetisch neutrino gedetecteerd door de IceCube Observatory in Antarctica. IceCube is een enorme detector die diep in het ijs is begraven, wachtend tot die spookachtige neutrino's tegen een atoom botsen en een flits van blauw licht creëren. Wanneer IceCube een veelbelovende neutrino spot, stuurt het een melding uit: "Hé, er is daar ergens iets groots gebeurd!"

De taak van het team was om naar de gegevens van de LIGO- en Virgo-zwaartekrachtgolfdetectoren te kijken op het exacte moment en vanuit de exacte richting van die neutrino-melding. Ze wilden zien of de detectoren op hetzelfde moment een rimpeling in de ruimtetijd voelden. Denk er zo over na: als IceCube een schreeuw hoort uit een specifiek huis, dan zijn de zwaartekrachtgolfdetectoren de buren die controleren of ze de vloer op dat exacte moment voelden trillen.

De onderzoekers zochten niet alleen naar één specifiek type botsing, zoals twee zwarte gaten die samensmelten. Ze gebruikten een "generieke" zoekopdracht, wat zoiets is als luisteren naar elk vreemd geluid—of het nu een klap, een knal of een vreemde brom is. Ze bekeken de gegevens van 23 neutrino-meldingen die IceCube verstuurde tijdens de derde grote observatierun van de detectoren (bekend als O3). Ze controleerden de gegevens in een tijdsvenster van 500 seconden vóór de aankomst van de neutrino tot 500 seconden erna, voor het geval de signalen niet op exact hetzelfde fractie van een seconde arriveerden.

Het Vonnis: Stilte in de Kosmische Zaal

Na het uitvoeren van hun geavanceerde analyse vond het team... niets. Of liever gezegd, ze vonden geen bewijs van een zwaartekrachtgolfsignaal dat sterker was dan de willekeurige achtergrondruis. Het is alsof ze een schreeuw uit een huis hoorden, maar toen ze de vloer controleerden, was deze volkomen stil.

Het artikel sluit expliciet de mogelijkheid uit dat deze specifieke neutrino-gebeurtenissen werden veroorzaakt door de soorten gewelddadige fusies of explosies die sterke zwaartekrachtgolven produceren binnen de afstanden die zij konden detecteren. Ze hebben geen "smoking gun" gevonden. Dit betekent echter niet dat de neutrino's niet echt waren; het betekent alleen dat als ze door een kosmische explosie werden veroorzaakt, die explosie geen zwaartekrachtgolf uitzond die sterk genoeg was voor onze huidige detectoren om te horen, of dat het te ver weg gebeurde.

Om zeker te zijn van hun resultaten, hebben de onderzoekers simulaties uitgevoerd. Ze deden alsof ze nep-zwaartekrachtgolfsignalen in de gegevens injecteerden om te zien hoe ver een bron weg kon zijn en nog steeds gehoord kon worden. Ze ontdekten dat voor een fusie van twee neutronensterren (twee dode sterren die tegen elkaar botsen), ze dit hadden gezien als het binnen ongeveer 30 tot 60 miljoen lichtjaar (30–60 Mpc) had plaatsgevonden. Voor een zwart gat dat een neutronenster opslokt, hadden ze het kunnen zien tot ongeveer 70 tot 140 miljoen lichtjaar (70–140 Mpc). Voor andere, meer exotische soorten signalen varieerde hun bereik van tientallen tot enkele honderden miljoenen lichtjaren.

Omdat ze geen signalen vonden binnen deze afstanden, stelden ze "uitsluitingslimieten vast". Dit is een chique manier om te zeggen: "We zijn 90% zeker dat als een bron als deze binnen deze afstand bestond, we het gezien zouden hebben. Aangezien we dat niet hebben, was hij er waarschijnlijk niet."

Het team merkte ook op dat hun zoektocht "ongemodelleerd" was, wat betekent dat ze zochten naar elke vorm van een golf, en niet alleen naar het specifieke patroon van twee sterren die samen spiraliseren. Dit maakt de zoektocht minder gevoelig dan een gerichte zoektocht naar bekende gebeurtenissen, maar het stelt hen in staat om vreemde, onverwachte signalen op te vangen. Het feit dat ze niets vonden, suggereert dat ofwel de neutrino's afkomstig waren van bronnen die geen zwaartekrachtgolven maken, of dat de bronnen simpelweg te ver weg waren voor onze huidige technologie om de rimpelingen te voelen.

Wat Nu Volgt?

Het artikel concludeert dat hoewel deze specifieke jacht zonder resultaat bleef, de methode werkt en de detectoren steeds beter worden. Het team wijst erop dat ze in toekomstige observatieruns in staat zullen zijn om naar andere soorten neutrino-gebeurtenissen te kijken (genaamd "cascade"-meldingen) die nog grotere kans hebben om van diep in de ruimte te komen. Ze vermelden ook dat er binnenkort een nieuwe catalogus van meldingen met een betere richtingbepaling beschikbaar zal zijn, wat hen zal helpen hun zoektocht nauwkeuriger te richten.

Voor nu blijft de kosmische zaal stil wat betreft deze specifieke neutrino's. Maar de zoektocht gaat door, en met elke nieuwe run van de detectoren luistert het team een beetje beter, in de hoop ooit die perfecte, gelijktijdige schreeuw en schok van de rand van het universum te vangen.