Onderzoekers Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karydas en Gianfranco Bertone van het UvA Institute of Physics (IoP) en het GRAPPA Centre of Excellence for Gravitation and Astroparticle Physics Amsterdam hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters. In hun artikel introduceren ze een verbeterde manier om te modelleren hoe donkere materie rond zwarte gaten de zwaartekrachtgolven beïnvloedt die deze systemen uitzenden.

Extreme mass-ratio inspirals

Het onderzoek richt zich op zogeheten extreme mass-ratio-inspirals, of EMRI's: systemen waarin een relatief klein, compact object – bijvoorbeeld een zwart gat dat is ontstaan ​​door de ineenstorting van een enkele ster – draait rond een veel zwaarder zwart gat, dat zich doorgaans in het centrum van een sterrenstelsel bevindt, en er langzaam spiraalsgewijs in terechtkomt. Terwijl het naar binnen spiraalt, zendt het kleinere object een lang zwaartekrachtgolfsignaal uit.

Toekomstige ruimtemissies, zoals de LISA-ruimteantenne van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA, die in 2035 gelanceerd moet worden, zullen deze signalen naar verwachting maanden- of zelfs jarenlang registreren en honderdduizenden tot miljoenen omloopcycli volgen. Indien nauwkeurig gemodelleerd, kunnen deze "kosmische vingerafdrukken" onthullen hoe materie - met name de mysterieuze donkere materie waarvan men denkt dat die het grootste deel van de materie in het heelal uitmaakt - zich verspreidt in de directe omgeving van enorme zwarte gaten.

Een relativistische blik

Voordat missies zoals LISA data gaan verzamelen, is het cruciaal om gedetailleerd te voorspellen welke signalen we kunnen verwachten en hoe we er zoveel mogelijk informatie uit kunnen halen. Tot nu toe baseerden de meeste studies zich op vereenvoudigde beschrijvingen van hoe de omgeving EMRI's beïnvloedt. Het nieuwe artikel van de IoP/GRAPPA-natuurkundigen vult deze leemte voor een brede klasse van omgevingen. Het biedt het eerste volledig relativistische raamwerk – wat betekent dat het Einsteins zwaartekrachttheorie volledig gebruikt, in plaats van eenvoudigere benaderingen gebaseerd op de zwaartekracht van Newton – om te beschrijven hoe de omgeving van een enorm zwart gat de baan van een EMRI en de resulterende zwaartekrachtgolven beïnvloedt.

De studie richt zich met name op dichte concentraties donkere materie – vaak "spikes" of "mounds" genoemd – die zich rond massieve zwarte gaten kunnen vormen. Door hun nieuwe relativistische beschrijving in te bedden in geavanceerde golfvormmodellen, laten de auteurs zien hoe dergelijke structuren een meetbare indruk zouden achterlaten op de signalen die door toekomstige detectoren worden geregistreerd. Dit werk vormt een fundamentele stap in een langetermijnprogramma dat tot doel heeft zwaartekrachtgolven te gebruiken om de verdeling van donkere materie in het heelal in kaart te brengen en licht te werpen op de fundamentele aard ervan.

Publicatie

Fully Relativistic Treatment of Extreme Mass-Ratio Inspirals in Collisionless Environments, Rodrigo Vicente, Theophanes K. Karydas en Gianfranco Bertone. Phys. Rev. Lett. 135 (2025) 211401. Open access arXiv-versie: arXiv:2505.09715.