A Two-month, Galaxy-targeted NIR Follow-up of the Sub-solar-mass Gravitational Wave Candidate S251112cm: Probing Electromagnetic Counterpart Scenarios

Zwaartekracht, op de manier zoals Albert Einstein het beschreef, is niet een kracht die objecten naar elkaar toe trekt, maar een vervorming van de ruimte en tijd zelf. Wanneer massieve objecten zoals neutronensterren of zwarte gaten ineen spiralen en met elkaar botsen, creëren ze gewelddadige rimpelingen in dit weefsel, bekend als zwaartekrachtgolven. Decennialang waren deze rimpelingen slechts een theoretische voorspelling, maar in 2015 hoorden wetenschappers ze eindelijk. Sindsdien heeft de detectie van deze golven een nieuw venster op het universum geopend, waardoor astronomen kunnen luisteren naar kosmische botsingen die voorheen onzichtbaar waren. Luisteren is echter slechts de helft van het verhaal. Om echt te begrijpen wat er tijdens deze botsingen gebeurt, willen wetenschappers het licht zien dat ze produceren. Dit is het doel van multi-messenger astronomie: het combineren van het geluid van zwaartekrachtgolven met het licht van telescopen om een compleet beeld van de gebeurtenis te krijgen.

De meeste botsingen die tot nu toe zijn gedetecteerd, betreffen objecten met massa's die vergelijkbaar zijn met of groter dan die van onze zon. Maar de theorie suggereert dat er een verborgen populatie objecten kan zijn die veel lichter is dan de zon, misschien gevormd in het zeer vroege universum of door exotische processen. Deze "sub-solaire massa" objecten zouden een revolutionaire ontdekking zijn, die het bestaan van nieuwe soorten materie of zelfs oerzwarte gaten zou bewijzen. De uitdaging is dat we niet weten welk licht deze lichtere botsingen zouden produceren. Ze kunnen zwak zijn, ze kunnen vertraagd zijn, of ze produceren misschien helemaal geen licht. Het vinden ervan vereist een ander soort zoektocht dan die gebruikt wordt voor zwaardere objecten, een zoektocht die zoekt naar zwakke gloed over een langere periode van tijd.

Eind 2025 pikte een netwerk van zwaartekrachtgolfdetectoren een signaal op van een botsing genaamd S251112cm. Het signaal was sterk en kwam van een relatief korte afstand van ongeveer 93 miljoen lichtjaar. Wat dit evenement bijzonder maakte, was dat de gegevens suggereerden dat ten minste één van de botsende objecten lichter was dan de zon. Dit was de meest significante kandidaat voor een dergelijk licht object ooit gevonden. De wetenschappelijke gemeenschap begon onmiddellijk te zoeken naar de flits van licht die mogelijk de crash zou vergezellen. Terwijl veel teams zochten naar een heldere, snelle flits in zichtbaar licht, besloot een team onder leiding van Gregory Paek en collega's naar iets anders te kijken. Zij hypotheseerden dat als deze botsing exotische, lichte objecten betrof, het licht dat het produceerde zwak, rood en traag in verschijning zou kunnen zijn, en weken of zelfs maanden zou aanhouden.

Om dit idee te testen, wendde het team zich tot de United Kingdom Infrared Telescope, of UKIRT, gelegen op een berg in Hawaï. Ze kozen ervoor om te kijken in het nabij-infrarode deel van het spectrum, een reeks licht die onzichtbaar is voor het menselijk oog maar uitstekend is voor het doorzien van stof en het opsporen van koele, vervagende objecten. In plaats van het hele enorme gebied van de hemel te scannen waar de botsing mogelijk heeft plaatsgevonden, wat te traag en oppervlakkig zou zijn, richtten ze hun inspanningen op specifieke sterrenstelsels. Ze stelden een lijst op van de meest waarschijnlijke gaststelsels, waarbij ze deze rangschikten op basis van hoe waarschijnlijk het was dat de botsing daar plaatsvond en hoeveel sterlicht het sterrenstelsel bevatte. Vervolgens richtten ze de telescoop op 59 van deze topkandidaten over een periode van twee maanden.

Het team maakte herhaaldelijk diepe opnames van deze sterrenstelsels, waarmee ze een duidelijk beeld opbouwden van wat er was vóór de botsing en wat er was daarna. Ze zochten naar een nieuw lichtpunt dat verscheen en vervolgens langzaam wegviel. Dit was een geduldig spel. Ze wisten dat als er een heldere explosie zoals een supernova had plaatsgevonden, of als de botsing een "kilonova" had geproduceerd — een flits van licht waarbij zware elementen worden gesmeed — dit zichtbaar zou zijn geweest. Hun waarnemingen waren diep genoeg om objecten te zien die miljarden keren zwakker zijn dan wat het blote oog kan zien. Ze controleerden elke enkele afbeelding en vergeleken de nieuwe foto's met oude om veranderingen op te merken.

Na twee maanden van nauwgezet kijken was de resultaat duidelijk: er was geen nieuw licht. Geen heldere flits, geen vervagende gloed, en er verscheen geen mysterieuze rode stip in enig van de 59 sterrenstelsels die zij monitorden. De afwezigheid van licht is een significante bevinding op zichzelf. Door niets te zien, was het team in staat om verschillende specifieke scenario's uit te sluiten. Ze stelden vast dat als de botsing een heldere explosie had geproduceerd die vergelijkbaar is met een Type Ic-supernova, of een standaard kilonova zoals die gezien in 2017, deze gemakkelijk zichtbaar zou zijn geweest. Het feit dat deze niet werd gezien, betekent dat dergelijke heldere, standaard gebeurtenissen niet hebben plaatsgevonden in de sterrenstelsels die zij observeerden.

De onderzoekers testten ook complexere ideeën. Sommige theorieën suggereerden dat als een licht object versmolt binnen een instortende ster, het een "kilonova binnen een supernova" zou kunnen produceren, een zwakkere gebeurtenis die een lange tijd gloeit. Ze controleerden of hun waarnemingen deze soort vertraagde, langdurige gloed hadden kunnen zien. Hoewel ze het niet vonden, toonden hun gegevens aan dat de helderste versies van deze langdurige gebeurtenissen ook onwaarschijnlijk waren. De enige scenario's die overbleven, waren die waarbij het licht extreem zwak was, of waar de gebeurtenis plaatsvond in een sterrenstelsel dat zij niet toevallig hadden geobserveerd.

Het team was zorgvuldig in het vermelden van de beperkingen van hun zoektocht. Het gebied aan de hemel waar de botsing plaatsvond is erg groot, en zij keken slechts naar een klein deel van de mogelijke gaststelsels. Het is volkomen mogelijk dat de botsing plaatsvond in een sterrenstelsel dat zij niet hebben geobserveerd, of dat het licht zo zwak was dat zelfs hun krachtige telescoop het niet kon zien. Ze erkenden ook dat het licht na hun tweemaanden durende campagne verschenen zou kunnen zijn, of dat de botsing objecten betrof die simpelweg geen licht produceren, zoals oerzwarte gaten.

Ondanks het gebrek aan een ontdekking, biedt dit werk een cruciaal blauwdruk voor de toekomst. Het demonstreert dat het zoeken naar deze ongrijpbare, lichtgewicht botsingen een andere strategie vereist dan het zoeken naar zware botsingen. Het vereist geduld, diep infraroodzicht en een bereidheid om maanden in plaats van dagen te kijken. Door te bewijzen dat heldere, standaard explosies niet plaatsvinden in deze specifieke locaties, heeft het team de mogelijkheden voor wat deze mysterieuze lichte objecten zouden kunnen zijn, ingeperkt. Ze hebben aangetoond dat als dergelijke objecten bestaan en botsen, hun licht ofwel zeer zwak is, ofwel zeer vertraagd, of verborgen is op een manier die nog gevoeligere instrumenten vereist om te vinden. Deze stille, volhardende zoektocht heeft het antwoord nog niet gevonden, maar heeft het pad vrijgemaakt voor de volgende generatie astronomen om dieper en langer te kijken, waardoor we dichter bij het begrijpen van de ware aard van de lichtste zwaargewichten van het universum komen.