Mogelijk bevatten zwaartekrachtsgolven echo’s die ontstaan aan de rand van een zwart gat. Die echo’s kunnen een aanwijzing zijn voor spannende, nieuwe fysica. In een zwaartekrachtsgolfmeting uit 2017 denken twee fysici zo’n echo te zien. Andere onderzoekers zijn sceptisch.
Bij een zwart gat kunnen zwaartekrachtsgolven ontstaan, bijvoorbeeld wanneer twee neutronensterren of twee zwarte gaten naar elkaar toe spiralen en samensmelten tot een (nieuw) zwart gat. De zwaartekrachtsgolven die hierbij ontstaan, worden inmiddels regelmatig gemeten met de LIGO- en Virgo-detectoren.
De zwaartekrachtsgolven verspreiden zich alle kanten op. Een deel zal daardoor verdwijnen in het zwarte gat. Zwarte gaten zijn oneindig kleine punten met een oneindig hoge dichtheid waarin alle massa zit samengepakt. Rondom dat punt bevindt zich de zogeheten waarnemingshorizon; de rand van het zwarte gat. Als je daarachter terechtkomt, kun je nooit meer terugkeren. Zelfs licht en zwaartekrachtsgolven kunnen, eenmaal achter de horizon, nooit meer aan het gat ontsnappen.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Echo’s door fuzzy randen
Dat is althans de huidige theorie van een zwart gat, gebaseerd op Einstein’s algemene relativiteitstheorie. Maar er zijn modellen mogelijk waarbij een deel van de zwaartekrachtsgolven als het ware reflecteert in de omgeving van de horizon van een zwart gat. Daardoor ontstaan er een soort echo’s in de zwaartekrachtsgolven die bij ons op aarde aankomen.
Het bestaan van de echo’s is nog nooit aangetoond, maar de natuurkundigen Jahed Abedi en Niayesh Afshordi denken in de zwaartekrachtsgolfmeting GW170817, van twee botsende neutronensterren, een echo te zien. Dat schrijven ze in een artikel in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Als er inderdaad een echo is, kan die op verschillende manieren zijn ontstaan. Een verklaring die de onderzoekers beschrijven, is een quantumeffect dat op zou treden aan de rand van een zwart gat. Zo’n effect werd in de jaren zeventig al voorgesteld door de fysici Jacob Bekenstein en Stephen Hawking. Hierdoor zou er een soort fuzzy quantumtoestand ontstaan. ‘De golven kunnen daarbij opnieuw worden uitgezonden, waardoor de zwaartekrachtsgolven echoën’, mailt Abedi, verbonden aan het Max Planck-instituut voor zwaartekrachtsfysica in München. Deze verklaring zou ingaan tegen Einstein’s algemene relativiteitstheorie waarin de horizon een gladde, strakke rand is.
Zwart gat of exotisch object
Er zijn ook andere verklaringen die de algemene relativiteitstheorie wél in stand houden. ‘Mogelijk bestaan er objecten die op een zwart gat lijken, maar in werkelijkheid net iets anders zijn’, zegt hoogleraar Stefan Vandoren van de Universiteit Utrecht, die niet betrokken was bij het onderzoek. De horizon of rand van deze zogeheten exotische compacte objecten gedraagt zich anders dan die van een zwart gat, waardoor er een echo kan ontstaan.
Ook bestaat er een hypothese dat er donkere sterren bestaan, opgebouwd uit donkere materie. Die hebben andere eigenschappen dan gewone sterren en zwarte gaten, waardoor ze eveneens echo’s zouden kunnen veroorzaken.
Complexe ruis
De onderzoekers zijn zelf redelijk zeker van hun vinding. ‘Volgens onze schatting is de kans één op zesduizend dat het geen echo is, maar ruis in de meting’, zegt Abedi. Toch vindt Vandoren het nog speculatief. ‘Het is maar één geval; er is meer statistiek nodig. Maar áls je die echo’s kunt voorspellen en vervolgens ook kunt meten, dan is dat superinteressant.’
Hoogleraar Chris Van Den Broeck van onderzoekersinstituut Nikhef, is zelfs sceptisch. ‘De auteurs hebben weinig ervaring met de data-analyse van zwaartekrachtsgolfmetingen. En met zulke complexe metingen kun je dan vergissingen maken’, zegt hij.
De onderzoekers hebben eerder gepubliceerd over echo’s in zwaartekrachtsgolven van samensmeltende zwarte gaten. Bij die analyse bleken ze niet goed rekening te hebben gehouden met de ruis op de meting.
‘Ik denk dat er bij deze analyse weer zoiets aan de hand is’, zegt Van Den Broeck, die zelf werkt aan de analyses van zwaartekrachtsgolfdetectoren. Een onderzoeksgroep waar hij bij betrokken is, keek naar meerdere zwaartekrachtsgolfmetingen, waaronder de neutronensterbotsing waar Abedi en Afshordi zich op richtten, ook op zoek naar echo’s. ‘Maar wij zagen geen echo’s’, zegt hij. ‘Alles was consistent met ruis.’
Razend interessant
Zowel Vandoren als Van Den Broek is wel enthousiast over de zoektocht naar echo’s. ‘Als ze bestaan, zijn ze te zwak om waar te nemen met onze huidige detectoren’, zegt Van Den Broeck. ‘Maar met een veel gevoeligere detector zoals de toekomstige Einstein Telescope is het misschien wel mogelijk. En als we ze zien, is dat razend interessant, omdat ze belangrijk zijn voor ons begrip van zwarte gaten.’
‘Als er echo’s worden gezien, dan is dat echt een grote doorbraak’, zegt Vandoren. ‘Het zou dan voor het eerst sinds een eeuw zijn dat we iets zien dat mogelijk voorbij de algemene relativiteitstheorie gaat.’
