Astronomen vinden een Einsteiniaanse hack om zwarte gaten in beeld te brengen

De studie van zwarte gaten is de afgelopen jaren enorm gevorderd. In 2015 werden de eerste zwaartekrachtsgolven waargenomen door wetenschappers van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Deze bevinding bevestigde wat Einstein een eeuw eerder voorspelde met de algemene relativiteitstheorie en bood nieuw inzicht in het samensmelten van zwarte gaten. In 2019 deelden wetenschappers met de Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration het eerste beeld van een superzwaar zwart gat (SMBH), dat zich in het centrum van het M87-sterrenstelsel bevindt.

Eerder deze maand maakte de EHT bekend dat ze ook de eerste opname hadden gemaakt van Sagittarius A*, het zwarte gat in het centrum van de Melkweg. En net op tijd voor Black Hole Week (2 mei tot 6 mei), kondigden een paar onderzoekers van Columbia University een nieuwe en mogelijk gemakkelijkere manier aan om zwarte gaten te bestuderen. Hun methode zou met name de studie van zwarte gaten die kleiner zijn dan M87* in melkwegstelsels verder weg dan het M87-sterrenstelsel mogelijk kunnen maken.

Deze nieuwe beeldvormingsmethode is ontwikkeld door Zoltán Haiman (hoogleraar astronomie aan Columbia University) en Jordy Davelaar, theoretisch astrofysicus aan Columbia, het Flatiron Institute in New York, en lid van de EHT-samenwerking. Hun methode werd geschetst in complementaire studies die onlangs verschenen in Fysieke beoordelingsbrieven en Fysieke beoordeling D. Zoals ze in deze artikelen aangeven, combineert hun techniek twee technieken: interferometrie en zwaartekrachtlensing.

De eerste techniek omvat het gebruik van meerdere instrumenten om licht van verre bronnen op te vangen en dit vervolgens te combineren om een ​​samengesteld beeld te creëren. Met deze techniek kon de EHT-samenwerking beelden vastleggen van de heldere ringen rond M87* en Sagittarius A* (onder andere objecten). In het laatste geval wordt de zwaartekracht van een massief object (zoals een zwart gat of sterrenstelsel) gebruikt om het licht van een verder weg gelegen object te vergroten en te versterken.

Zoals Haiman en Davelaar uitleggen, zullen astronomen, wanneer ze een binair zwart-gatsysteem van opzij bekijken terwijl het ene voor het andere voorbijgaat, de zwaartekracht van de dichtstbijzijnde zwarte gaten gebruiken om de heldere schijf van de verder weg gelegen zwarte gaten te vergroten. Deze observaties zullen echter ook een ander interessant kenmerk onthullen. Als twee zwarte gaten voor elkaar passeren, zeiden Haiman en Davelaar, zal er een opvallende dip in helderheid zijn die overeenkomt met de “schaduw” van het verder weg gelegen zwarte gat.

Afhankelijk van hoe zwaar de zwarte gaten zijn en hoe nauw hun banen met elkaar verstrengeld zijn, kunnen deze dips enkele uren tot enkele dagen duren. De lengte van de dip kan ook worden gebruikt om de grootte en vorm van de schaduw te schatten die wordt geworpen door de waarnemingshorizon van de zwarte gaten, het punt waarop niets aan zijn zwaartekracht kan ontsnappen (zelfs licht niet). Zoals Davelaar uitlegde in een recente uitgave van Columbia News:

“Het heeft jaren en een enorme inspanning van tientallen wetenschappers gekost om die hoge resolutie afbeelding van de M87 zwarte gaten te maken. Die aanpak werkt alleen voor de grootste en dichtstbijzijnde zwarte gaten – het paar in het hart van M 87 en mogelijk onze eigen Melkweg. [W]Met onze techniek meet je de helderheid van de zwarte gaten in de tijd, je hoeft niet elk object ruimtelijk op te lossen. Dit signaal zou in veel sterrenstelsels moeten kunnen worden gevonden.”

Bij zwaartekrachtlenzen wordt de zwaartekracht van een groot object gebruikt om het licht van andere objecten erachter te buigen, helderder te maken en te vervormen. Krediet: NASA/ESA/L. Calcada

Zoals Haiman eraan toevoegde, is de schaduw van een zwart gat het meest mysterieuze en informatieve kenmerk ervan. “Die donkere vlek vertelt ons over de grootte van het zwarte gat, de vorm van de ruimte-tijd eromheen en hoe materie in het zwarte gat aan de horizon valt”, zei hij. Haiman en Davelaar raakten geïnteresseerd in dit fenomeen nadat Haiman en een team van collega’s in 2020 een vermoedelijk paar superzware zwarte gaten (“Spikey”) ontdekten in het centrum van een sterrenstelsel dat bestond tijdens het vroege heelal.

De ontdekking deed zich voor toen het team gegevens aan het onderzoeken was van de Kepler Ruimtetelescoop om verre sterren te controleren op kleine helderheidsdalingen, wat wordt gebruikt om de aanwezigheid van transiterende exoplaneten te bevestigen. In plaats daarvan, de Kepler gegevens toonden aanwijzingen dat het opflakkeringseffect werd veroorzaakt door een paar transiterende zwarte gaten die van opzij zichtbaar waren. De bijnaam was te danken aan de pieken in helderheid die werden veroorzaakt door het vermoedelijke lenseffect van de zwarte gaten terwijl ze voor elkaar passeerden.

Om meer over de fakkel te weten te komen, riep Haiman de hulp in van zijn postdoc (Davelaar) om een ​​model te construeren voor dit fakkeleffect. Hoewel het model de pieken bevestigde, onthulde het ook een periodieke dip in helderheid die ze niet konden verklaren. Nadat ze de mogelijkheid hadden uitgesloten dat dit het gevolg was van fouten in het model, stelden ze vast dat het signaal echt was en gingen ze op zoek naar een fysiek mechanisme dat het kon verklaren. Uiteindelijk realiseerden ze zich dat elke dip nauw overeenkwam met de tijd die de zwarte gaten nodig hadden om transits te maken ten opzichte van de waarnemer.

De detectie van deze schaduw kan enorme implicaties hebben voor zowel astrofysici als kwantumfysici. Astrofysici hebben naar deze schaduwen gezocht als onderdeel van een voortdurende inspanning om de algemene relativiteitstheorie te testen onder de meest extreme omstandigheden en omgevingen. Deze tests kunnen leiden tot een nieuw begrip van hoe zwaartekracht en kwantumkrachten op elkaar inwerken, waardoor natuurkundigen eindelijk kunnen oplossen hoe de vier fundamentele natuurkrachten samenwerken: elektromagnetische, zwakke kernkrachten, sterke kernkrachten en zwaartekracht.

Decennialang hebben wetenschappers begrepen hoe drie van de krachten die alle materie-energie-interacties beheersen, werken. Hoewel de algemene relativiteitstheorie beschrijft hoe zwaartekracht (de zwakste van de vier krachten) op zichzelf werkt, zijn alle pogingen om een ​​manier te vinden om dit in kwantumtermen uit te leggen, mislukt. Als gevolg hiervan is een theorie van ‘kwantumzwaartekracht’ of Theory of Everything (ToE) zelfs de grootste wetenschappelijke geesten ontgaan. Dit geldt ook voor Einstein en Stephen Hawking, die het grootste deel van hun wetenschappelijke carrière hebben gewijd aan het vinden van een.

Ondertussen zijn Haiman en Davelaar momenteel op zoek naar andere telescoopgegevens om de Kepler . te bevestigen waarnemingen en verifiëren dat “Spikey” echt een paar samensmeltende zwarte gaten herbergt. Als en wanneer hun techniek wordt bevestigd, zal deze waarschijnlijk worden toegepast op de ongeveer 150 paren fuserende SMBH’s die zijn waargenomen maar nog steeds op bevestiging wachten. De komende jaren komen er telescopen van de volgende generatie online, waardoor er meer mogelijkheden zijn om deze techniek te testen.

Voorbeelden hiervan zijn het Vera C. Rubin Observatorium, een enorme telescoop in Chili die later dit jaar wordt geopend. Eenmaal operationeel zal Rubin de 10-jarige Legacy Survey of Space and Time (LSST) uitvoeren, waarbij meer dan 100 miljoen SMBH’s zullen worden geobserveerd. Tegen 2030 zal NASA’s Laser Interferometry Space Antenna, een op de ruimte gebaseerde zwaartekrachtgolfdetector, ook online komen en nog meer mogelijkheden bieden om samensmeltende zwarte gaten te bestuderen. Met zoveel kandidaten beschikbaar voor studie, hoeven wetenschappers niet te lang te wachten op een doorbraak.

“Zelfs als slechts een klein deel van deze dubbelsterren van zwarte gaten de juiste omstandigheden hebben om ons voorgestelde effect te meten, zouden we veel van deze zwarte gatdips kunnen vinden”, zei Davelaar.

Verder lezen: Columbia Nieuws

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Universum vandaag door Matt Williams. Lees hier het originele artikel.

Leave a Reply

Your email address will not be published.