3 enorme vragen die het Black Hole-beeld niet beantwoordde

Een internationaal netwerk van radiotelescopen heeft de allereerste close-upafbeelding van de schaduw van een zwart gat geproduceerd, die wetenschappers vanochtend (10 april) hebben onthuld. De samenwerking, de Event Horizon Telescope genaamd, bevestigde decennia van voorspellingen over hoe licht zich rond deze donkere objecten zou gedragen, en maakte de weg vrij voor een nieuw tijdperk van zwarte gatastronomie..

"Van een schaal van nul tot verbazingwekkend, het was verbazingwekkend", zegt Erin Bonning, een astrofysicus en onderzoeker van zwarte gaten aan de Emory University die niet betrokken was bij de beeldvorming..

'Dat gezegd hebbende, het was wat ik had verwacht,' zei ze .

De aankondiging, die ongeveer anderhalve week van tevoren werd gepest, was zowel ongelooflijk opwindend als bijna volledig verstoken van verrassende details of nieuwe fysica. De natuurkunde ging niet kapot. Er werden geen onverwachte kenmerken van zwarte gaten onthuld. De afbeelding zelf was bijna een perfecte match voor illustraties van zwarte gaten die we gewend zijn te zien in de wetenschap en de popcultuur. Het grote verschil is dat het een stuk vager is. [9 rare feiten over zwarte gaten]

Er waren echter verschillende belangrijke vragen met betrekking tot zwarte gaten die onopgelost bleven, zei Bonning.

Hoe produceren zwarte gaten hun enorme stralen hete, snelle materie??

Alle superzware zwarte gaten hebben het vermogen om nabijgelegen materie op te kauwen, het meeste ervan voorbij hun horizon te absorberen en de rest met bijna lichtsnelheid de ruimte in te spuwen in vlammende torens die astrofysici 'relativistische jets' noemen.

En het zwarte gat in het centrum van Virgo A (ook wel Messier 87 genoemd) is berucht om zijn indrukwekkende jets, die materie en straling door de ruimte spuwen. De relativistische jets zijn zo groot dat ze volledig kunnen ontsnappen aan de omringende melkweg.

En natuurkundigen kennen de grote lijnen van hoe dit gebeurt: het materiaal versnelt tot extreme snelheden als het in de zwaartekrachtbron van het zwarte gat valt, waarna een deel ervan ontsnapt terwijl het die traagheid behoudt. Maar wetenschappers zijn het niet eens over de details van hoe dit gebeurt. Deze afbeelding en de bijbehorende papieren bieden nog geen details.

Om dat uit te zoeken, zei Bonning, is het een kwestie van waarnemingen van Event Horizons Telescope - die een vrij kleine hoeveelheid ruimte beslaan - te koppelen aan de veel grotere afbeeldingen van relativistische jets.

Hoewel natuurkundigen nog geen antwoorden hebben, zei ze, is de kans groot dat ze snel zullen komen - vooral als de samenwerking beelden produceert van het tweede doelwit: het superzware zwarte gat Boogschutter A * in het centrum van ons eigen melkwegstelsel, dat produceert geen jets zoals die van Virgo A. Het vergelijken van de twee afbeeldingen, zei ze, zou misschien enige duidelijkheid kunnen bieden.

Hoe passen de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica bij elkaar??

Telkens wanneer natuurkundigen samenkomen om over een echt opwindende nieuwe ontdekking te praten, kun je verwachten dat iemand suggereert dat dit zou kunnen helpen bij het verklaren van 'kwantumzwaartekracht'.

Dat komt omdat kwantumzwaartekracht de grote onbekende is in de natuurkunde. Gedurende ongeveer een eeuw hebben natuurkundigen gewerkt met behulp van twee verschillende sets regels: algemene relativiteitstheorie, die betrekking heeft op zeer grote dingen zoals zwaartekracht, en kwantummechanica, die betrekking heeft op zeer kleine dingen. Het probleem is dat deze twee rulebooks elkaar rechtstreeks tegenspreken. Kwantummechanica kan zwaartekracht niet verklaren en relativiteitstheorie kan kwantumgedrag niet verklaren.

Op een dag hopen natuurkundigen de twee met elkaar te verbinden in een grootse verenigde theorie, waarschijnlijk met een soort kwantumzwaartekracht.

En vóór de aankondiging van vandaag was er speculatie dat het een doorbraak over het onderwerp zou kunnen inhouden. (Als de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie niet in het beeld waren bevestigd, zou dat de bal naar voren hebben verplaatst.) Tijdens een nieuwsbriefing van de National Science Foundation, Avery Broderick, een natuurkundige aan de Universiteit van Waterloo in Canada, en een medewerker over het project, suggereerde dat dit soort antwoorden zou kunnen komen.

Maar Bonning stond sceptisch tegenover die bewering. Dit beeld was vanuit een algemeen relativiteitsperspectief totaal niet verrassend, dus het bood geen nieuwe fysica die de kloof tussen de twee velden zou kunnen dichten, zei Bonning.

Toch is het niet gek dat mensen hopen op antwoorden van dit soort observaties, zei ze, omdat de rand van de schaduw van een zwart gat relativistische krachten in kleine ruimtes van kwantumgrootte brengt..

"We zouden de kwantumzwaartekracht heel, heel dicht bij de waarnemingshorizon of heel, heel vroeg in het vroege universum verwachten [toen alles in een kleine ruimte was verpakt]", zei ze..

Maar bij de nog steeds wazige resolutie van Event Horizons Telescope, zei ze, zullen we dat soort effecten waarschijnlijk niet vinden, zelfs niet als er geplande upgrades binnenkomen..

Waren de theorieën van Stephen Hawking even correct als die van Einstein?

De grootste bijdrage van de natuurkundige Stephen Hawking aan de natuurkunde was het idee van "Hawking-straling" - dat zwarte gaten niet echt zwart zijn, maar in de loop van de tijd kleine hoeveelheden straling uitzenden. Het resultaat was enorm belangrijk, want het toonde aan dat zodra een zwart gat stopt met groeien, het heel langzaam zal gaan krimpen door het energieverlies.

Maar de Event Horizons-telescoop bevestigde of ontkende deze theorie niet, zei Bonning, niet dat iemand dat verwachtte.

Gigantische zwarte gaten zoals die in Virgo A, zei ze, zenden slechts minimale hoeveelheden Hawking-straling uit in vergelijking met hun totale grootte. Hoewel onze meest geavanceerde instrumenten nu de felle lichten van hun evenementhorizon kunnen detecteren, is de kans klein dat ze ooit de ultradunne gloed van het oppervlak van een superzwaar zwart gat zullen pesten..

Die resultaten, zei ze, zullen waarschijnlijk afkomstig zijn van de kleinste zwarte gaten - theoretische, kortstondige objecten die zo klein zijn dat je hun hele waarnemingshorizon in je hand zou kunnen omsluiten. Met de mogelijkheid voor observaties van dichtbij en er veel meer straling beschikbaar is in vergelijking met hun totale grootte, kunnen mensen er uiteindelijk achter komen hoe ze er een kunnen produceren of vinden en de straling ervan kunnen detecteren.

Dus wat hebben we eigenlijk geleerd van deze afbeelding??

Ten eerste leerden natuurkundigen dat Einstein opnieuw gelijk had. De rand van de schaduw is, voor zover de Event Horizons-telescoop kan zien, een perfecte cirkel, net zoals natuurkundigen in de 20e eeuw die met Einsteins vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie werkten voorspelden.

"Ik denk niet dat iemand verbaasd moet zijn als er weer een test van de algemene relativiteitstheorie slaagt," zei Bonning. "Als ze op het podium waren gelopen en hadden gezegd dat de algemene relativiteitstheorie was verbroken, was ik van mijn stoel gevallen."

Het resultaat met meer directe, praktische implicaties, zei ze, was dat het beeld wetenschappers in staat stelde om precies de massa te meten van dit superzware zwarte gat, dat 55 miljoen lichtjaar verwijderd is in het hart van het Maagd A-sterrenstelsel. Het is 6,5 miljard keer zo zwaar als onze zon.

Dat is een groot probleem, zei Bonning, omdat het de manier zou kunnen veranderen waarop natuurkundigen de superzware zwarte gaten wegen in de harten van andere, verder weg gelegen of kleinere sterrenstelsels..

Op dit moment hebben natuurkundigen een vrij nauwkeurige meting van de massa van het superzware zwarte gat in het hart van de Melkweg, zei Bonning, omdat ze kunnen zien hoe de zwaartekracht individuele sterren in de buurt beweegt..

Maar in andere sterrenstelsels kunnen onze telescopen de bewegingen van individuele sterren niet zien, zei ze. Dus natuurkundigen zitten opgescheept met ruwere metingen: hoe de massa van het zwarte gat het licht beïnvloedt dat afkomstig is van verschillende lagen sterren in de melkweg, of hoe de massa het licht beïnvloedt dat afkomstig is van verschillende lagen vrij zwevend gas in de melkweg.

Maar die berekeningen zijn niet perfect, zei ze.

"Je moet een heel complex systeem modelleren", zei ze.

En de twee methoden leveren uiteindelijk enigszins verschillende resultaten op bij elke waarneming van melkwegstelsels. Maar voor het zwarte gat in Maagd A weten we nu tenminste dat één methode correct is.

"Onze bepaling van 6,5 miljard zonsmassa's komt terecht bovenop de zwaardere massabepaling van [het licht dat van sterren komt]", zei Sera Markoff, een astrofysicus van de Universiteit van Amsterdam en een medewerker van het project in de nieuwsbriefing..

Dat betekent niet dat natuurkundigen gewoon massaal overgaan op die benadering voor het meten van de massa van zwarte gaten, zei Bonning. Maar het biedt wel een belangrijk gegevenspunt voor het verfijnen van toekomstige berekeningen.

• De grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
• De 12 vreemdste objecten in het heelal
• Stephen Hawking's meest verre ideeën over zwarte gaten

Oorspronkelijk gepubliceerd op .