Zwarte gaten gesimuleerd die Einstein nooit had kunnen bedenken

De simulatie van het BlackHoleCam-project is de meest geavanceerde simulatie ooit. Het resultaat is belangrijk omdat het helpt bij het interpreteren van de toekomstige opnamen van de schaduw van een zwart gat. Deze foto’s worden in de komende jaren verwacht van het Event Horizon Telescope-project. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Nature Astronomy.

Met behulp van de grootschalige simulaties is aangetoond dat in sommige gevallen ‘normale’ superzware zwarte gaten, zoals voorspeld in Einsteins algemene relativiteitstheorie, en zwarte gaten zoals voorspeld door alternatieve zwaartekrachttheorieën, mogelijk nauwelijks van elkaar te onderscheiden zijn.

De onderzoekers bestudeerden het materiaal dat vanuit de ronddraaiende accretieschijf op de zwarte gaten valt en berekenden de uitgezonden straling. Het licht dat in een zwart gat wordt gezogen valt ten prooi aan de gebeurtenishorizon (een gebied in de ruimtetijd waaruit niets kan ontsnappen). Die gebeurtenishorizon kan worden waargenomen in de vorm van een ‘schaduw’. De grootte en vorm van deze schaduw worden bepaald door de eigenschappen van het zwarte gat, maar ook door de zwaartekrachttheorie.

Hoe het licht rond alternatieve zwarte gaten wordt afgebogen was al bekend, maar het is ook belangrijk te begrijpen waar het licht precies vandaan komt. In de code die de wetenschappers hebben gebruikt is nu voor het eerst ook meegenomen hoe het gas zich in alternatieve zwaartekrachttheorieën rond een zwart gat beweegt en waar het licht wordt uitgezonden. De supercomputer van het Goethe-instituut in Frankfurt heeft er maandenlang aan gerekend onder leiding van Luciano Rezzolla en Yosuke Mizuno. Ook hebben de wetenschappers de beeldkwaliteit van de huidige instrumenten in hun berekeningen meegenomen.

Een voorbeeld van een zwart gat zoals voorspeld door Einstein is het superzware zwarte gat in het centrum van onze Melkweg, Sagittarius A* (Sgr A*). Zwarte gaten zijn nog nooit direct waargenomen, al is hun bestaan in de afgelopen jaren wel bevestigd doordat zwaartekrachtgolfdetectoren het signaal hebben opgevangen van versmeltende zwarte gaten in verre sterrenstelsels. Met de Event Horizon Telescope (een wereldwijd gekoppeld netwerk van gevoelige radioschotels) willen astronomen, onder wie die binnen het door de Europese Onderzoeksraad (ERC) gefinancierde BlackHoleCam-team, de eerste foto maken van de schaduw van het zwarte gat in het centrum van de Melkweg.

Nu uit de simulaties is gebleken dat sommige zwarte gaten binnen alternatieve theorieën nauwelijks van de ‘Einstein’-zwarte gaten zijn te onderscheiden, noopt dat de onderzoekers tot voorzichtigheid. De Nijmeegse hoogleraar Falcke, die het idee om de schaduw van een zwart gat met radiotelescopen te vangen twintig jaar geleden formuleerde, blijft optimistisch: “Het is een grote stap voorwaarts dat we nu eindelijk in staat zijn voor elke zwaartekrachttheorie te simuleren hoe zwarte gaten eruitzien en hoe ze materiaal aantrekken. Het eerste doel van de Event Horizon Telescope is het waarnemen en bevestigen van de schaduw van een zwart gat – van welke soort dan ook. Dat kan nog steeds, maar wij kunnen zeker nog niet alle alternatieven uitsluiten. Einsteins theorie blijft favoriet, maar we moeten hem blijven testen. Met dit resultaat weten we nu hoe we de techniek die we momenteel gebruiken verder moeten ontwikkelen, om in de toekomst nog scherpere beelden te kunnen maken.”

Volgens Michael Kramer van het Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, een van de co-PI’s van het BlackHoleCam project, zijn er ook nog andere mogelijkheden om zwarte gaten te onderscheiden. “De ambiguïteit tussen de verschillende theorieën zou je kunnen wegnemen door pulsars in de directe omgeving van het zwarte gat te vinden en hun baan heel precies te meten.” De wetenschappers zijn nu op zoek naar deze objecten in de buurt van Sgr A*.

Het team zal de ontwikkelde code uiteindelijk beschikbaar stellen voor andere wetenschappers met alternatieve zwaartekrachttheorieën zodat zij hun ideeën kunnen simuleren.