Rekken exploderende sterren ons uit?
Al millennia lang kijkt de mensheid 's nachts vol bewondering op naar de sterrenhemel. Telkens keert dezelfde vraag terug: wat ligt daar toch ver buiten ons bereik met zo'n immense schoonheid? Naarmate de wetenschap zich verder ontwikkelt, kunnen we hier natuurlijk steeds beter op antwoorden. Reeds eeuwenlang kunnen we met behulp van telescopen de sterren bestuderen en trachten we zo hun levensloop te achterhalen. Pas enkele jaren geleden werd een compleet nieuwe techniek succesvol toegepast en kijken we niet langer enkel naar het licht van de sterren, maar ook naar de zwaartekrachtgolven die ze produceren.
Een zwaartekrachtgolf is een fenomeen dat de ruimte zelf beïnvloedt. Als deze golf een object passeert, wordt niet alleen het object uitgerekt of ingekort, maar de volledige ruimte rond het object volgt deze verandering van vorm. Je kan het effect dus niet meten met een meetlat, omdat de meetlat zelf mee het effect van de zwaartekrachtgolf ondergaat. De detectoren die wel in staat zijn om deze golven te meten noemt men interferometers. Daarvan bestaan er op dit moment slechts een vijftal verspreid over de hele wereld.
Een zwaartekrachtsgolf wordt veroorzaakt door een massief voorwerp dat verandert van snelheid of richting, precies zoals Albert Einstein het voorspelde in zijn algemene relativiteitstheorie. In de praktijk betreft het vaak 2 hele zware voorwerpen, zoals sterren, die uitzonderlijk snel rond elkaar draaien. Deze golven kunnen echter ook optreden wanneer grote brokken stermassa zich verplaatsen binnen eenzelfde ster. Dit laatste zou volgens de theorie kunnen gedetecteerd worden bij sterren die op het einde van hun leven in een grote explosie, een supernova genaamd, uiteenspatten.
De sterkte van een zwaartekrachtgolf wordt beïnvloed door twee factoren. De eerste factor is de massa van het object dat de golf veroorzaakt. De objecten die tot nu toe waargenomen zijn, waren vaak meer dan 10 keer zo zwaar als onze zon. Sommige exemplaren haalden zelfs 50 tot 100 zonnemassa's. Een exploderende ster kan maar enkele zonnemassa's zwaar zijn, waardoor het effect veel kleiner en dus moeilijker te detecteren is. Een waarneming zal dus moeten wachten tot ook de tweede factor, de afstand tussen de supernova en onszelf, gunstig uitvalt. Dat is helaas waar het schoentje wringt, want een supernova binnen de Melkweg, het sterrenstelsel waarin ons zonnestelsel zich bevindt, komt niet vaak voor. Gebaseerd op historische verslagen en de huidige waarnemingen van de overblijfselen (zie afbeelding) wordt geschat dat dit voor het laatst gebeurd is in het begin van de 17e eeuw. Net buiten de Melkweg is er in 1987 nog één waargenomen die in principe ook nog dichtbij genoeg was, maar veel verder weg moeten we het niet gaan zoeken.
Om toch een idee te krijgen van wat we kunnen leren over supernovae via zwaartekrachtgolven, moeten we ons dus baseren op theoretische berekeningen aangevuld met computersimulaties. Het is natuurlijk niet eenvoudig om een simulatie op te stellen van een evenement dat we nog nooit op deze manier waargenomen hebben. De onbekende factoren van het proces worden door verschillende onderzoeksteams op verschillende manieren ingevuld, waardoor elke simulatie uniek is. Het voordeel hiervan is dat we ons kunnen voorbereiden op verschillende scenario's, moesten we toch het geluk hebben dat er een ster binnen ons bereik haar levenseinde bereikt.
Via machine learning, een manier om een computer orde te laten scheppen in grote hoeveelheden data in meerdere dimensies, hebben we in deze thesis de resultaten van verschillende simulaties kunnen analyseren. We weten ook op welke manier de verschillende onderzoeksteams de onbekende factoren invulden. Daardoor kan er een inschatting gemaakt worden van hoe goed we de waarde van die factoren kunnen bepalen bij een echte supernovawaarneming, waarvan we niet weten welk model er het beste bij past.
Die analyse leverde een verrassend goed resultaat op. Zelfs met de eenvoudige machine learning algoritmes die hierbij gebruikt zijn, konden bepaalde factoren in 80 tot 90 procent van de gevallen correct ingeschat worden. In de grafiek hierboven zijn de resultaten te zien voor één van de zes onderzochte factoren. De verschillende lijnen vertegenwoordigen enkele machine learning algoritmes. De nauwkeurigheid daalt pas wanneer het gemeten signaal niet genoeg boven de achtergrondruis uitkomt. Op dat moment kunnen de twee met elkaar verward worden, wat dan ook het algoritme in de war brengt. Dit is echter niet meteen een probleem, want het komt namelijk overeen met de situatie waarin de supernova zich te ver van ons af bevindt. Daarvan was al langer bekend dat de zwaartekrachtsgolven te zwak waren om waar te nemen en dus ook om er informatie uit te halen. Voor twee van de overige vijf factoren werd een iets lagere nauwkeurigheid gehaald. Of dit te wijten is aan een lagere voorspelbaarheid of de nood aan een complexer algoritme is nog niet duidelijk. De andere drie factoren konden met een gelijkaardige nauwkeurigheid als in de bovenstaande grafiek voorspeld worden. Voor een specifieke uiteenzetting van de fysica achter de onderzochte factoren verwijs ik u graag naar de thesis zelf.
Dit resultaat is natuurlijk fantastisch nieuws voor de wetenschap en voor de sterrenkunde in het bijzonder. Aan de ene kant is aangetoond dat het concept werkt en dat we dus aan de hand van machine learning de nodige informatie kunnen verkrijgen uit een waarneming. Indien dus een detectie plaatsvindt, kan men aan de hand van de algoritmes ontwikkeld in deze thesis enkele belangrijke eigenschappen van de supernova bepalen. Aan de andere kant weten we ook dat het best nog even kan duren vooraleer het zo ver is. In de tussentijd kunnen alle modellen en algoritmes scherpgesteld worden. Ook is er de mogelijkheid om verder te bouwen aan bestaande en ook nieuwe detectoren, zoals bijvoorbeeld de Einstein telescoop die misschien een thuis zal vinden ter hoogte van het drielandenpunt bij Vaals. Of we ooit zullen detecteren dat we samen met onze aardbol uitgerekt worden door de zwaartekrachtsgolven van een supernova zal de tijd moeten uitwijzen.
