In februari van dit jaar deden astronomen een monumentale ontdekking. Bijna honderd jaar na hun voorspelling door Albert Einstein ontdekten wetenschappers eindelijk zwaartekrachtgolven - "rimpelingen in ruimte-tijd", verlicht door de straling van twee samenvloeiende zwarte gaten. Deze waarneming was een zeer duidelijke bevestiging van Einsteins algemene relativiteitstheorie, maar tegelijkertijd was deze gebeurtenis een krachtig bewijs dat de wetten van deze theorie ophouden te werken zodra ze de waarnemingshorizon van zwarte gaten bereiken.
Sinds februari van dit jaar heeft het Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory (LIGO) in totaal drie keer zwaartekrachtgolven gezien. Onderzoekers hebben eindelijk de bevindingen onder de loep genomen en beweren nu bewijs te hebben gevonden van zogenaamde "echo's" in golven die Einsteins voorspellingen van zwarte gaten uitdagen.
Deze uitspraken worden momenteel gepubliceerd in de wetenschappelijke online bibliotheek ArXiv.org, waar ze kunnen worden geanalyseerd door andere leden van de natuurkundige gemeenschap voordat ze aan collegiale toetsing worden gepresenteerd. Daarom is de kans zeer groot dat er nieuwe feiten zullen worden gevonden in het kader van een externe blik op de gegevens over waarnemingen van deze echo's. Bovendien werd het gepresenteerde bewijs geleverd met een nauwkeurigheid van 5 Sigma, de gouden standaard in de wereld van de natuurkunde. Dit betekent dat er bij 3,5 miljoen één mogelijkheid is dat de waarnemingen puur toeval zijn.
Als andere studies echter aantonen dat deze "echo" werkelijk aanwezig is, dan wordt het voor de natuurkunde een enorme gebeurtenis. Eerder werd gesuggereerd dat de wetten van de algemene relativiteitstheorie tot gruzelementen worden afgebrokkeld bij het naderen van het centrum van zwarte gaten, maar deze ontdekking zal aantonen dat de wetten ook stoppen met werken aan de grenzen van deze ruimte-tijdverschijnselen. Als dit zo is, zou dit het begin kunnen zijn van de geboorte van de wetten van een geheel nieuwe fysica.
"De ontdekking van LIGO en andere organisaties in perspectief biedt een geweldige kans om nieuwe fysische wetten te verkennen", zegt Steve Giddings, een zwart gat-onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, die niet betrokken was bij het onderzoek dat vandaag wordt beschreven.
Als de echo's een dummy blijken te zijn, hoeft de algemene relativiteitstheorie alleen nog maar een test te doorstaan. Al decennia lang hebben natuurkundigen geprobeerd zwarte gaten in deze theorie te tweaken en manieren te vinden om het te integreren met de kwantummechanica, maar de theorie van Einstein doet het tot nu toe goed.
Maar laten we, voordat we verder gaan met de discussie, eerst eens kijken wat deze echo's zijn en hoe ze zich verhouden tot de algemene relativiteitstheorie.
Het komt allemaal neer op de zogenaamde informatieparadox van zwarte gaten. Volgens de theorie van Einstein zou alles wat de waarnemingshorizon van zwarte gaten kruist, moeten verdwijnen en niets achterlaten. In de traditionele zin betekent dit dat niets, zelfs geen licht, uit een zwart gat kan komen (vandaar trouwens de naam van dit object).
Promotie video:
Onlangs hebben wetenschappers zich enorm verbaasd over het testen van deze theorie. Volgens de wetten van de kwantummechanica kan materie die wordt geabsorbeerd door een zwart gat inderdaad een spoor achterlaten in de vorm van informatie. Dus hoe kan de gebeurtenishorizon tegelijkertijd worden beschreven vanuit het oogpunt van de algemene relativiteitstheorie (alles wordt vernietigd nadat het zijn grenzen heeft overschreden) en vanuit het oogpunt van de kwantummechanica (vanuit het object blijft de informatie ervan)?
Deze vraag is een van de moeilijkste in de moderne natuurkunde en wetenschappers kunnen er nog steeds geen antwoord op vinden.
Een voorgestelde verklaring is de firewallhypothese uit 2012, die suggereert dat er ringen van sterk geladen deeltjes rond de waarnemingshorizon zijn, die alle materie die er doorheen gaat, verbranden.
Natuurkundige Stephen Hawking heeft een andere aanname. Hij gelooft dat zwarte gaten omgeven kunnen worden door zacht 'haar' (haar wordt hier natuurlijk als metafoor gebruikt). Deze "haren" vertegenwoordigen kwantumstoringen met een lage lading en slaan in zichzelf handtekeningen op (informatie, als je wilt) van alles dat ooit in een zwart gat viel.
Ongeacht tot welke hypothese u meer geneigd bent, hun belangrijkste boodschap is dezelfde: in plaats van de schone waarnemingshorizon die wordt voorspeld door de algemene relativiteitstheorie, kunnen de grenzen van zwarte gaten veel complexer en waziger zijn dan we ons hadden voorgesteld. En het grootste probleem hier was dat we niet de gelegenheid hadden om deze aannames op de een of andere manier te verifiëren. Tot LIGO zwaartekrachtgolven detecteerde.
Nu de gegevens voorhanden zijn, stelt een internationaal team van onderzoekers een manier voor om erachter te komen wat er rond zwarte gaten gebeurt. Volgens de nieuwe aanname, als de gebeurtenishorizons van zwarte gaten zich niet echt lenen voor de wetten van de algemene relativiteitstheorie, dan zouden echo's moeten blijven bestaan na de eerste zwaartekrachtgolven.
Volgens de onderzoekers kunnen ze worden gedetecteerd dankzij de "haren" rond het zwarte gat, die in een staat van opwinding zijn en zich op dit moment als spiegels gedragen. Ze vangen een deel van de zwaartekrachtgolven die uit het zwarte gat ontsnappen, omhullen ze, geven een deel van hun staat van verstoring door en kunnen vervolgens worden gedetecteerd door instrumenten zoals LIGO.
Volgens de berekeningen van de wetenschappers konden deze echo's worden gedetecteerd met LIGO 0,1 en 0,3 seconden na de eerste release van de zwaartekrachtgolf. En - zie! Wetenschappers zijn hiervan getuige geworden! Bovendien werd de gebeurtenis niet alleen waargenomen in het kader van de eerste detectie van zwaartekrachtgolven in februari van dit jaar, maar ook in het kader van alle drie waarnemingen van zwaartekrachtgolven dit jaar.
Het moet natuurlijk duidelijk zijn dat de drie gebeurtenissen nauwelijks betrouwbare statistische gegevens kunnen worden genoemd. Dus hoewel de mogelijkheid blijft bestaan dat deze echo's een soort achtergrondruis waren (1 op de 270 gevallen, of 2,9 Sigma-fout), zullen verdere observaties onderzoekers helpen een meer solide bewijsbasis op te bouwen.
"Het goede nieuws is dat de duidelijkheid en gevoeligheid van LIGO binnenkort aanzienlijk zal worden verbeterd, zodat we de komende twee jaar een betere kans hebben om deze waarnemingen te bevestigen of te ontkennen", zei hoofdonderzoeker Niaesh Afshordi.
Zelfs als de echo's kunnen worden bevestigd, zullen ze geen antwoord geven op de vraag welk niveau van vaagheid de grenzen van zwarte gaten hebben. Daarom is de oplossing van de informatieparadox voorlopig uitgesteld. Tot nu toe is één ding duidelijk: een van de belangrijkste ontdekkingen in de natuurkunde dit jaar is zelfs nog verleidelijker geworden.
NIKOLAY KHIZHNYAK
