De “gebiedswet” zegt dat het oppervlak van een zwart gat in de loop van de tijd niet kan afnemen
Zwaartekrachtgolven van twee samensmeltende zwarte gaten (getoond in een simulatie), gespot in 2015, onthulden dat het totale oppervlak van de zwarte gaten niet afneemt wanneer ze samensmelten.
Ondanks hun mysterieuze aard, wordt aangenomen dat zwarte gaten bepaalde eenvoudige regels volgen. Nu is een van de beroemdste wetten van het zwarte gat, voorspeld door natuurkundige Stephen Hawking, bevestigd met zwaartekrachtsgolven.
Volgens de stelling van het gebied van het zwarte gat, ontwikkeld door Hawking in het begin van de jaren zeventig, kunnen zwarte gaten in de loop van de tijd niet kleiner worden. Het gebiedstheorema fascineert natuurkundigen omdat het een bekende natuurkundige regel weerspiegelt dat wanorde, of entropie, in de loop van de tijd niet kan afnemen. In plaats daarvan neemt de entropie consequent toe (SN: 7/10/15).
Dat is “een opwindende hint dat gebieden met zwarte gaten iets fundamenteels en belangrijks zijn”, zegt astrofysicus Will Farr van de Stony Brook University in New York en het Flatiron Institute in New York City.
De oppervlakte van een eenzaam zwart gat verandert niet – er kan immers niets van binnenuit ontsnappen. Als je echter iets in een zwart gat gooit, krijgt het meer massa, waardoor het oppervlak groter wordt. Maar het binnenkomende object kan het zwarte gat ook laten draaien, waardoor het oppervlak kleiner wordt. De gebiedswet zegt dat de toename van het oppervlak door extra massa altijd opweegt tegen de afname van het oppervlak als gevolg van toegevoegde spin.
Om deze gebiedsregel te testen, gebruikten MIT-astrofysicus Maximiliano Isi, Farr en anderen rimpelingen in de ruimtetijd die werden opgewekt door twee zwarte gaten die naar binnen spiraalden en samensmolten tot één groter zwart gat. Het oppervlak van een zwart gat wordt bepaald door zijn waarnemingshorizon – de grens van waaruit het onmogelijk is om te ontsnappen. Volgens de gebiedsstelling zou het gebied van de waarnemingshorizon van het nieuw gevormde zwarte gat minstens zo groot moeten zijn als de gebieden van de waarnemingshorizon van de twee originele zwarte gaten samen.
Het team analyseerde gegevens van de eerste zwaartekrachtsgolven die ooit zijn waargenomen, die in 2015 werden gedetecteerd door de Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO (SN: 2/11/16). De onderzoekers splitsten de zwaartekrachtsgolfgegevens op in twee tijdsegmenten, voor en na de fusie, en berekenden de oppervlakten van de zwarte gaten in elke periode. Het oppervlak van het nieuw gevormde zwarte gat was groter dan dat van de twee oorspronkelijke zwarte gaten samen, het handhaven van de gebiedswet met een betrouwbaarheidsniveau van 95 procent, meldt het team in een krant om te verschijnen in Fysieke beoordelingsbrieven.
“Het is voor het eerst dat we hier een cijfer op kunnen plakken”, zegt Isi.
De oppervlaktestelling is het resultaat van de algemene relativiteitstheorie, die de fysica van zwarte gaten en zwaartekrachtgolven beschrijft. Eerdere analyses van zwaartekrachtsgolven kwamen overeen met voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie, en lieten dus al doorschemeren dat de gebiedswet niet wild naast kan zitten. Maar de nieuwe studie “is een meer expliciete bevestiging”, van de gebiedswet, zegt natuurkundige Cecilia Chirenti van de Universiteit van Maryland in College Park, die niet betrokken was bij het onderzoek.
Tot dusverre beschrijft de algemene relativiteitstheorie zwarte gaten goed. Maar wetenschappers begrijpen niet volledig wat er gebeurt waar de algemene relativiteit – die typisch van toepassing is op grote objecten zoals zwarte gaten – de kwantummechanica ontmoet, die kleine dingen zoals atomen en subatomaire deeltjes beschrijft. In dat kwantumrijk kunnen vreemde dingen gebeuren.
Zwarte gaten kunnen bijvoorbeeld een vage nevel van deeltjes afgeven die Hawking-straling wordt genoemd, een ander idee dat Hawking in de jaren zeventig ontwikkelde. Door dat effect zouden zwarte gaten kunnen krimpen, in strijd met de gebiedswet, maar alleen over extreem lange tijdsperioden, dus het zou de relatief snelle samensmelting van zwarte gaten die LIGO zag niet hebben beïnvloed.
Natuurkundigen zijn op zoek naar een verbeterde theorie die de twee disciplines zal combineren tot één nieuwe, verbeterde theorie van kwantumzwaartekracht. Elk falen van zwarte gaten om zich aan de regels van de algemene relativiteitstheorie te houden, zou natuurkundigen in de goede richting kunnen wijzen om die nieuwe theorie te vinden.
Dus natuurkundigen zijn vaak chagrijnig over het blijvende succes van de algemene relativiteitstheorie, zegt Farr. “We hebben zoiets van, ‘aw, het klopte weer.'”
