Nieuw onderzoek suggereert dat toekomstige hogeresolutiebeelden van zwarte gaten uiteindelijk zouden kunnen bepalen of de zwaartekrachttheorie van Albert Einstein, de algemene relativiteitstheorie, deze kosmische objecten nauwkeurig beschrijft – of dat alternatieve theorieën nodig zijn. De Event Horizon Telescope (EHT), die in 2019 en 2022 de allereerste beelden van zwarte gaten maakte, heeft een nieuw tijdperk van observationele astrofysica geopend. Maar hoewel deze beelden veel voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie bevestigen, vergroten ze ook de mogelijkheid om subtiele afwijkingen te detecteren die zouden kunnen wijzen op een vollediger begrip van de zwaartekracht.
De schaduw van twijfel
De EHT brengt zwarte gaten zelf niet rechtstreeks in beeld. In plaats daarvan vangt het de intense gloed van oververhitte materie op die rond deze objecten wervelt, waardoor een donkere “schaduw” ontstaat die de horizon van de gebeurtenis omlijnt – het punt waarop geen terugkeer meer mogelijk is, waar de zwaartekracht onontkoombaar wordt. De nieuwste studie suggereert dat een gedetailleerde analyse van deze schaduwen kleine discrepanties met de voorspellingen van Einstein aan het licht zou kunnen brengen.
“We hebben een manier ontwikkeld om beelden van heet gas rond zwarte gaten, voorspeld door de algemene relativiteitstheorie, te vergelijken met beelden voorspeld door alternatieve theorieën”, legt Akhil Uniyal van de Shanghai Jiao Tong Universiteit, hoofdauteur van het onderzoek, uit. “Realistische simulaties laten zien dat zelfs kleine verschillen in de onderliggende zwaartekracht detecteerbaar zullen worden naarmate de beeldresolutie verbetert.”
Einsteins erfenis: vervormde ruimtetijd
Einsteins algemene relativiteitstheorie, gepubliceerd in 1915, bracht een revolutie teweeg in ons begrip van de zwaartekracht. In tegenstelling tot Newtons visie op de zwaartekracht als een kracht, stelde Einstein voor dat massieve objecten het weefsel van ruimte en tijd vervormen, waardoor de zwaartekrachteffecten ontstaan die we waarnemen. Dit kromtrekken wordt extreem in de buurt van zwarte gaten, waar de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet kan ontsnappen.
Het concept van zwarte gaten ontstond in 1916 uit de vergelijkingen van Einstein, dankzij het werk van Karl Schwarzschild. Deze oplossingen onthulden dat er in het hart van een zwart gat een singulariteit ligt – een punt waarop de wetten van de natuurkunde niet meer werken. Rondom de singulariteit bevindt zich de gebeurtenishorizon, de grens waarbuiten niets kan ontsnappen.
Voorbij Einstein: de zoektocht naar alternatieven
Hoewel de algemene relativiteitstheorie talloze tests heeft doorstaan, hebben wetenschappers er lang over gespeculeerd dat dit misschien niet het volledige verhaal is. Sommige alternatieve theorieën stellen dat zwarte gaten mogelijk geen singulariteiten hebben, of dat ze beschreven kunnen worden door een complexere natuurkunde. Deze theorieën vereisen vaak exotische materie of overtredingen van bekende wetten.
‘In grote lijnen zijn er de standaard roterende zwarte gaten die worden beschreven door de algemene relativiteitstheorie, en daarnaast een verscheidenheid aan alternatieven, gemotiveerd door verschillende theorieën’, zegt Uniyal. “Al deze alternatieven zijn complexer dan die voorgesteld door Einstein, maar blijven theoretisch haalbaar totdat ze worden weerlegd.”
Hoe schaduwen de waarheid onthullen
De sleutel tot het testen van deze alternatieven ligt in het nauwkeurig meten van de schaduwen van zwarte gaten. Kleine afwijkingen in de onderliggende zwaartekracht zullen zich vertalen in subtiele veranderingen in de grootte en vorm van de schaduw, evenals in de manier waarop licht rond het zwarte gat buigt.
“De schaduw van het zwarte gat codeert de ruimtetijdgeometrie heel dicht bij het compacte object”, legt Uniyal uit. “Kleine metrische afwijkingen vertalen zich in kleine, systematische veranderingen in de grootte en vorm van de schaduw en in de manier waarop lichtringen eromheen ontstaan.”
De studie toont aan dat zelfs als de verschillen tussen de algemene relativiteitstheorie en alternatieve theorieën klein zijn, ze detecteerbaar zullen worden naarmate de beeldresolutie verbetert. De onderzoekers hebben deze verschillen zelfs gekwantificeerd en daarmee concrete doelen gesteld voor toekomstige observatoria.
De toekomst van beeldvorming van zwarte gaten
De volgende stappen omvatten het verbeteren van de kwaliteit van de beeldvorming van zwarte gaten door meer telescopen aan het EHT-netwerk toe te voegen en ruimtegebaseerde interferometrie te onderzoeken. Naarmate de resolutie toeneemt, zal het vermogen om onderscheid te maken tussen de algemene relativiteitstheorie en alternatieve theorieën sterker worden.
“Wat onze resultaten laten zien is dat welke zwarte gaten je ook in ogenschouw neemt, de verschillen klein zullen zijn en dat er daarom zeer nauwkeurige metingen nodig zijn”, zegt Uniyal. “Gelukkig zullen deze observaties in de niet al te verre toekomst mogelijk zijn.”
Dit onderzoek benadrukt de kracht van observationele astrofysica om fundamentele theorieën uit de natuurkunde te testen. Naarmate de beeldvorming van zwarte gaten zich verder ontwikkelt, kunnen we binnenkort een definitief antwoord krijgen op de vraag of Einsteins theorie nog steeds de ultieme beschrijving van de zwaartekracht is
