Al bijna zestig jaar lang stelt Einsteins algemene relativiteitstheorie dat een zwart gat maar twee eigenschappen heeft: massa en spin. Meer is er niet. Maar wat als dat toch niet klopt? Een nieuwe studie laat zien hoe je kunt achterhalen of sommige zwarte gaten iets extra’s verbergen.
Als twee zwarte gaten botsen en samensmelten, trilt het nieuwe, grotere zwarte gat als een luidende klok. Het zendt zwaartekrachtsgolven uit met specifieke frequenties die geleidelijk uitdoven. Dit is een golfpatroon dat ringdown wordt genoemd en informatie kan bevatten over wat rond een zwart gat zit.
Ringdowngolven
Volgens Einsteins basisregels hangen ringdowngolven bij het eenvoudigste type zwarte gat alleen af van massa en rotatiesnelheid. Maar zit er verborgen materie rond een zwart gat, dan heeft die materie mogelijk ook invloed op deze golven. Wetenschappers noemen zulke extra structuur weleens het haar van het zwarte gat. Een team onder leiding van de Japanse Nagoya University heeft nu een methode ontwikkeld om deze haren op te sporen.
Verborgen materie beïnvloedt de golven niet overal gelijk: de frequentie en de snelheid waarmee het signaal uitdooft, zorgt voor uiteenlopende reacties. Dat verschil verraadt of er verborgen materie aanwezig is en hoe de druk ervan rond het zwarte gat is verdeeld. Bij ronddraaiende zwarte gaten hangt het er ook nog eens van af of de golven met de rotatie meebewegen of ertegenin.
Bestaan harige zwarte gaten echt?
Wetenschappers blijven testen of het mogelijk is om zwarte gaten perfect te beschrijven door de relativiteitstheorie toe te passen. Het is lastig om sporen van deze kosmische haren te vinden, omdat de ringdown op uiteenlopende manieren kan veranderen, onder invloed van verschillende soorten extra materie of nieuwe fysica. De nieuwe studie geeft een scherper beeld van de patronen om naar op zoek te gaan in toekomstige data.
“Haar van een zwart gat kan staan voor materie rond het zwarte gat of voor afwijkingen van het eenvoudigste type zwart gat dat de relativiteitstheorie voorspelt. Omdat dit het ringdownsignaal een heel klein beetje verandert, geeft het aantonen daarvan ons een nieuwe manier om zwaartekracht te testen in dit extreme gebied”, legt onderzoeker Ariadna Uxue Palomino Ylla uit.
De ‘gladde’ ruimtetijd van Einstein kan niet omgaan met de kwantumchaos. Er is dus een onbekende theorie van de kwantumzwaartekracht nodig om dit op te lossen. Een zwart gat vervormt de ruimtetijd zo gigantisch dat het zelfs licht en zwaartekrachtsgolven worden omgebogen. Verborgen materie of onbekende natuurkunde lijkt het sterkst merkbaar te zijn waar de zwaartekracht het felst is en dat maakt zwarte gaten de beste plek om ernaar te zoeken.
Het onderzoeksteam gebruikte een bekend verband: de manier waarop licht dicht bij een zwart gat draait, hangt nauw samen met het gedrag van de ringdowngolven. Ze voegden een kleine hoeveelheid verborgen materie toe aan standaardmodellen van zwarte gaten en berekenden met Einsteins vergelijkingen hoe die materie de frequentie en uitdoofsnelheid van de ringdown verandert. De aanpak is getest op drie theoretische zwarte gaten en uitgebreid naar ronddraaiende exemplaren, waarbij licht zowel met de spin mee als tegen de spin in draaide.
Leestip: Astronomen hebben een nieuw type object ontdekt in de ruimte: de zwartegatster
Haar verandert frequentie en uitdoofsnelheid op andere manier
De frequentie en de uitdoofsnelheid van de ringdowngolven veranderen niet op dezelfde manier. Het hangt er namelijk van af hoeveel verborgen materie aanwezig is en hoe de druk ervan rond het zwarte gat is verdeeld. “De ringdown-golven laten niet alleen zien dat iets extra’s het zwarte gat beïnvloedt. De manier waarop het signaal verandert, geeft ons ook aanwijzingen over wat die verborgen materie eigenlijk is”, aldus Palomino Ylla.
Bij ronddraaiende zwarte gaten zijn de berekeningen nog ingewikkelder, omdat licht met de spin zich anders gedraagt dan licht dat tegen de spin in draait. Ook hier verandert verborgen materie de frequentie en uitdoofsnelheid afhankelijk van de draairichting en het type materie.
De nieuwe methode geeft ons de mogelijkheid om te voorspellen hoe extra materie of nieuwe natuurkunde de ringdown zou kunnen veranderen, in plaats van elk type haar apart te bestuderen. De resultaten zijn voorlopige schattingen, maar ze helpen wetenschappers in hun zoektocht naar waar ze op moeten letten als ze ooit iets vreemds opvangen in het signaal van een echt zwart gat.
Wil je niets van Scientias missen? Volg Scientias op Google Discover dan zie je al onze verhalen!
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
