Wetenschappers hebben het centrum van het zonnestelsel gevonden, en het is niet waar je denkt

Wanneer we denken aan de aarde en haar naburige planeten die rond onze gemeenschappelijke gastster draaien, stellen we ons voor dat het centrum van het zonnestelsel precies in het midden van de zon ligt. Maar dat is niet helemaal waar, zo blijkt uit nieuw onderzoek.

De planeten en de zon draaien in feite om een gemeenschappelijk massamiddelpunt. En voor het eerst heeft een team van astronomen het middelpunt van het hele zonnestelsel tot op 100 meter nauwkeurig bepaald, de meest nauwkeurige berekening tot nu toe.

De bevindingen staan in detail beschreven in een studie die in april is gepubliceerd in The Astrophysical Journal, en zullen astronomen helpen bij hun jacht op zwaartekrachtgolven die in het heelal worden uitgezonden door objecten zoals superzware zwarte gaten.

Het hele zonnestelsel, inclusief de zon, heeft een barycentrum, oftewel een gemeenschappelijk massamiddelpunt van alle objecten in het zonnestelsel, waar ze omheen draaien.

In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is het barycentrum van het zonnestelsel niet het middelpunt van de zon. Dat komt doordat planeten en andere hemellichamen van het zonnestelsel een gravitationele kracht uitoefenen op de ster, waardoor deze een beetje heen en weer wiebelt.

In plaats daarvan ligt het barycentrum van het zonnestelsel iets buiten het oppervlak van de zon. Wetenschappers hebben echter nog niet precies kunnen vaststellen waar dit middelpunt ligt.

De reden waarom dit zo moeilijk is, is deels te wijten aan Jupiter, de grootste planeet van het zonnestelsel. Door zijn grote massa heeft Jupiter verreweg de sterkste zwaartekracht op de Zon.

Het team van wetenschappers achter de nieuwe studie is er echter in geslaagd de locatie van het barycentrum tot op 100 meter nauwkeurig vast te stellen, een zeer kleine marge gezien de kolossale omvang van het zonnestelsel, en ontdekte dat het precies boven het oppervlak van de Zon ligt.

Het geheim van hun nauwkeurige metingen – pulsars. Pulsars zijn snel roterende neutronensterren, of superdichte overblijfselen van een ster die in een supernova is geëxplodeerd. Deze sterren zenden elektromagnetische straling uit in de vorm van heldere, smalle stralen die in een ronde beweging door de kosmos scheren terwijl de ster zelf ronddraait, een beetje zoals een vuurtoren.

Als je de sterren van een afstand bekijkt, lijkt het alsof ze pulseren met regelmatige lichtflitsen, waaraan ze hun naam te danken hebben.

“Met de pulsars die we in het Melkwegstelsel waarnemen, proberen we te zijn als een spin die stil zit in het midden van haar web,” zei Stephen Taylor, natuurkundige en astronoom aan de Vanderbilt Universiteit, en hoofdauteur van de studie, in een verklaring. “Hoe goed we het barycentrum van het zonnestelsel begrijpen, is van cruciaal belang bij onze pogingen om zelfs de kleinste kronkel in het web waar te nemen.”

Vanaf de aarde worden de stralen die door de pulsars worden uitgezonden waargenomen als pulssignalen die op regelmatige basis verschijnen. Met behulp van deze signalen kon het team van astronomen de afstand van de aarde tot andere objecten in het zonnestelsel, waaronder het barycentrum, nauwkeuriger meten.

Nu de astronomen nauwkeuriger kunnen meten waar het barycentrum van het zonnestelsel ligt, kunnen zij op hun beurt veel nauwkeuriger laagfrequente zwaartekrachtgolven detecteren.

Gravitatiegolven zijn rimpelingen in ruimte en tijd die worden veroorzaakt door objecten met versnelde massa’s, zoals superzware zwarte gaten, die deze golven met de snelheid van het licht naar buiten uitzenden.

“Onze nauwkeurige waarneming van pulsars verspreid over het melkwegstelsel heeft ons beter in de kosmos gelokaliseerd dan we ooit eerder konden,” zei Taylor. “Door op deze manier zwaartekrachtgolven te vinden, in aanvulling op andere experimenten, krijgen we een meer holistisch overzicht van alle verschillende soorten zwarte gaten in het heelal.”

Abstract: De regelmatigheid van pulsar-emissies wordt duidelijk als we de aankomsttijden van de pulsen relateren aan het inertiale rustframe van het zonnestelsel. Hieruit volgt dat fouten in de bepaling van de positie van de aarde ten opzichte van het barycentrum van het zonnestelsel kunnen verschijnen als een tijdgerelateerde bias in de resttijdreeksen van pulsar-timing, die de zoektochten naar laagfrequente gravitatiegolven, uitgevoerd met pulsar-timing arrays, kunnen beïnvloeden. Recente datareeksen geven inderdaad verschillende gravitatiegolf-achtergrond bovengrenzen en detectiestatistieken wanneer ze geanalyseerd worden met verschillende zonnestelsel efemeriden. Cruciaal is dat de efemeriden over het algemeen geen bruikbare foutrepresentaties geven. In dit artikel beschrijven we de motivatie, constructie en toepassing van een fysisch model van zonnestelsel efemeriden onzekerheden, dat zich richt op de vrijheidsgraden (Jupiter’s baanelementen) die het meest relevant zijn voor gravitatie-golf zoektochten met pulsar-timing arrays. Dit model, BayesEphem, is gebruikt om betrouwbare resultaten af te leiden voor de 11-jarige stochastische achtergrondzoektocht van NANOGrav, en het vormt de basis voor toekomstige zoekacties door NANOGrav en andere consortia. De analyse en simulaties die hier gerapporteerd worden suggereren dat ephemeris-modellering de gravitatie-golf gevoeligheid van de 11 jarige data set vermindert en dat deze ontaarding zal verdwijnen met verbeterde ephemeriden en met pulsar-timing data sets die veel verder reiken dan een enkele Joviaanse omlooptijd.