De eerste afbeelding van een zwart gat hielp de algemene relativiteitstheorie op een nieuwe manier te testen

Toen in april 2019 de allereerste afbeelding van een zwart gat werd uitgebracht, betekende dit een krachtige bevestiging van Albert Einsteins zwaartekrachttheorie, of de algemene relativiteitstheorie.

De theorie beschrijft niet alleen de manier waarop materie de ruimtetijd vervormt, maar ze voorspelt ook het bestaan ​​van zwarte gaten, inclusief de grootte van de schaduw die door een zwart gat wordt geworpen op de heldere schijf van materiaal die rond enkele van de dichte objecten wervelt. Dat iconische beeld, van het superzware zwarte gat in het centrum van sterrenstelsel M87 op ongeveer 55 miljoen lichtjaar afstand, toonde aan dat de schaduw nauw overeenkwam met de algemene relativiteitsvoorspellingen van zijn grootte (SN: 4/10/19). Met andere woorden, Einstein had weer gelijk.

Dat resultaat, gerapporteerd door de Event Horizon Telescope Collaboration, beantwoordde één vraag: is de grootte van het zwarte gat van M87 in overeenstemming met de algemene relativiteitstheorie?

Maar “het is erg moeilijk om de tegenovergestelde vraag te beantwoorden: in hoeverre kan ik de algemene relativiteitstheorie aanpassen en toch consistent zijn met de [black hole] meting?” zegt EHT-teamlid Dimitrios Psaltis van de Universiteit van Arizona in Tucson. Die vraag is de sleutel omdat het nog steeds mogelijk is dat een andere zwaartekrachttheorie het universum zou kunnen beschrijven, maar zich voordoet als algemene relativiteitstheorie in de buurt van een zwart gat.

In een studie gepubliceerd op 1 oktober in Fysieke beoordelingsbrievenHebben Psaltis en collega’s de schaduw van het zwarte gat van M87 gebruikt zet een grote stap om die alternatieve theorieën uit te sluiten.

Concreet gebruikten de onderzoekers de grootte van het zwarte gat om een ​​zogenaamde “tweede-orde” -test van de algemene relativiteitstheorie uit te voeren, gericht op het vergroten van het vertrouwen in het resultaat. Dat “kan niet echt worden gedaan in het zonnestelsel” omdat het zwaartekrachtveld te zwak is, zegt EHT-teamlid Lia Medeiros van het Institute for Advanced Study in Princeton, NJ.

Tot dusverre goed voor de relativiteitstheorie, ontdekten de onderzoekers toen ze deze tweede-orde-test uitvoerden.

De resultaten zijn vergelijkbaar met die van experimenten met zwaartekrachtsgolven zoals de Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, die rimpelingen in de ruimtetijd heeft gedetecteerd door de samensmelting van zwarte gaten die kleiner zijn dan die van M87 (SN: 9/16/19). Maar de nieuwe studie is interessant omdat “het de eerste poging is om een [second-order] effect door een observatie van een zwart gat ”, zegt natuurkundige Emanuele Berti van de Johns Hopkins University, die niet bij het nieuwe werk betrokken was.

Over het algemeen beschouwen natuurkundigen de algemene relativiteitstheorie als een reeks correcties of aanvullingen op de zwaartekrachttheorie van Isaac Newton. De algemene relativiteitstheorie voorspelt wat die add-ons zouden moeten zijn. Als metingen van de werking van de zwaartekracht in het universum afwijken van die voorspellingen, dan weten natuurkundigen dat de algemene relativiteitstheorie niet het volledige verhaal is. Hoe meer toevoegingen of factoren aan een test worden toegevoegd, hoe meer vertrouwen er in een resultaat is.

In zwakke zwaartekrachtvelden, zoals in het zonnestelsel, kunnen natuurkundigen testen of “eerste-orde” toevoegingen aan Newtons vergelijkingen consistent zijn met de algemene relativiteitstheorie of niet. Deze toevoegingen houden verband met zaken als hoe licht en massa reizen in een kromgetrokken ruimtetijd, of hoe de zwaartekracht de tijd langzamer laat stromen.

Die aspecten van de zwaartekracht zijn getest met de manier waarop het licht van sterren wordt afgebogen tijdens bijvoorbeeld een zonsverduistering, en de manier waarop laserlicht dat naar ruimtevaartuigen wordt gestuurd die van de zon wegvliegen, langer duurt dan verwacht om terug te keren naar de aarde (SN: 29/05/19). De algemene relativiteitstheorie is elke keer voorbijgegaan.

Maar er is een sterk zwaartekrachtveld voor nodig, zoals dat rond het zwarte gat van M87, om de tests een tandje hoger te zetten.

Het nieuwe resultaat is enigszins teleurstellend voor de natuurkundigen die scheuren in Einsteins theorie hopen te vinden. Het vinden van een afwijking van de algemene relativiteitstheorie zou de weg kunnen wijzen naar nieuwe fysica. Of het zou kunnen helpen om de algemene relativiteitstheorie, de fysica van de zeer grote en de kwantummechanica te verenigen, de leidende theorie die de fysica van de zeer kleine beschrijft, zoals subatomaire deeltjes en atomen (SN: 30/03/20). Het feit dat de algemene relativiteitstheorie nog steeds weigert te buigen, is “verontrustend voor degenen onder ons die oud genoeg zijn om in ons leven een antwoord te krijgen”, zegt Psaltis.

Maar er is enige hoop dat de algemene relativiteitstheorie nog steeds mislukt rond zwarte gaten. De nieuwe studie maakt de doos met mogelijke manieren waarop de theorie kan worden afgebroken kleiner, “maar we hebben het niet oneindig klein gemaakt”, zegt Medeiros. De studie is “een proof of concept om aan te tonen dat de EHT dit zou kunnen … Maar het is eigenlijk maar een van de vele.”

Toekomstige waarnemingen van de EHT zullen zorgen voor nog nauwkeurigere tests van de algemene relativiteitstheorie, zegt ze, vooral met nog te verschijnen beelden van Sgr A *, het zwarte gat in het centrum van de Melkweg. Met veel nauwkeurigere metingen van de massa van Sgr A * dan enig ander superzwaar zwart gat, kan dat beeld de mogelijke doos rond de theorie nog kleiner maken – of hem wijd openblazen.