De horizon van een zwart gat – de grens waar voorbij niets meer kan ontsnappen – kan nooit krimpen. Althans, dat stelde Stephen Hawking in 1971. Zijn zogeheten oppervlakte-theorie voor zwarte gaten is nu voor het eerst bevestigd met zwaartekrachtgolfmetingen.
Om Hawkings theorie te testen keken natuurkundigen naar GW150914, de eerste zwaartekrachtgolfdetectie. Deze zwaartekrachtgolf, die in 2014 werd waargenomen door de Amerikaanse LIGO-detectoren, was afkomstig van twee samensmeltende zwarte gaten.
Als de vijftig jaar oude theorie van Hawking klopt, dan zou het oppervlak van de horizon van het nieuw gevormde zwarte gat niet kleiner mogen zijn dat de som van de horizonoppervlakken van de twee zwarte gaten die samensmolten. Dit blijkt te kloppen bij GW150914. ‘Het oppervlak is hoogstwaarschijnlijk ongeveer anderhalf keer groter dan de som van de twee originele zwarte gaten voor de botsing’, mailt onderzoeker Maximiliano Isi van het Amerikaanse MIT.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Horizon = massa & draaiing
Hawkings idee dat het horizonoppervlak van zwarte gaten nooit kan krimpen, ontstond toen hij rekende met Einsteins algemene relativiteitstheorie. Daaruit bleek dat zwarte gaten voorkomen dat het horizonoppervlak afneemt dankzij veranderingen aan hun massa of draaiing om hun as.
De grootte van het horizonoppervlak van een zwart gat is dus gerelateerd aan zijn massa en draaiing. Door die twee eigenschappen te meten, met behulp van zwaartekrachtgolven, kan je het oppervlak dus ook bepalen.
Toen Hawking in 2015 hoorde dat de LIGO-detectoren zwaartekrachtgolven hadden gemeten van samensmeltende zwarte gaten, werd hij enthousiast. Hij vroeg de LIGO-onderzoekers om zijn oppervlakte-theorie te testen. Helaas waren de analysetechnieken op dat moment nog niet goed genoeg om de benodigde informatie over de massa’s en draaiingen van de zwarte gaten voor en na de botsing te bepalen. Hawking, die in 2018 overleed, heeft de bevestiging van zijn theorie dus niet meer mee kunnen maken.
Eerste bevestiging
Pas in 2019 lukt het Isi en zijn collega’s om een analyse-techniek te ontwikkelen die de nagalm van GW150914 kon reconstrueren. Dit was nodig om de massa en draaiing van het zwarte gat te berekenen dat ontstond uit de samensmelting. Toen ze dit resultaat publiceerden, werden ze benaderd door Kip Thorne, Nobelprijswinnaar, LIGO-oprichter en vriend van Hawking. Hij vroeg hen om met die techniek ook de massa en draaiing van de twee zwarte gaten voor de botsingen te bepalen om zo de theorie van Hawking te controleren.
Isi en zijn collega’s berekenden dat de som van de horizonoppervlakken van de twee zwarte gaten voor de botsing ongeveer 235.000 vierkante kilometer was. Het oppervlak van de horizon van het zwarte gat na de botsing blijkt ongeveer 367.000 vierkante kilometer.
Voor GW150914 houdt Hawkings theorie dus stand. Maar één bevestiging is niet genoeg. Isi en zijn collega’s zijn daarom van plan hun techniek op meer zwaartekrachtgolfmetingen los te laten.
Isi: ‘Andere theoretici hebben modellen bedacht die resulteren in objecten die op een zwart gat lijken, maar die de oppervlakte-theorie niet volgen.’ Meer zwaartekrachtgolfobservaties zouden het bestaan van deze compacte objecten kunnen bevestigen of ontkrachten.
