Kunnen we zwarte gaten van elkaar onderscheiden? Astrofysici in Frankfurt, het Max Planck Instituut voor Radioastronomie in Bonn, en Nijmegen, meewerken aan het project BlackHoleCam, beantwoord deze vraag door de eerste beelden te berekenen van het voeden van niet-Einsteiniaanse zwarte gaten:het is momenteel moeilijk om ze te onderscheiden van standaard zwarte gaten.

Hun bevindingen worden gepubliceerd als Advance Online Publication (AOP) op de Natuurastronomie website op 16 april 2018.

Een van de meest fundamentele voorspellingen van Einsteins relativiteitstheorie is het bestaan ​​van zwarte gaten. Ondanks de recente detectie van zwaartekrachtsgolven van binaire zwarte gaten door LIGO, direct bewijs met behulp van elektromagnetische golven blijft ongrijpbaar en astronomen zoeken ernaar met radiotelescopen. Voor de eerste keer, medewerkers in het door de ERC gefinancierde project BlackHoleCam, waaronder astrofysici aan de Goethe-universiteit Frankfurt, Max Planck Instituut voor Radioastronomie (MPIfR) Bonn, en Radboud Universiteit Nijmegen, hebben zelfconsistente en realistische beelden vergeleken van de schaduw van een groeiend superzwaar zwart gat – zoals de kandidaat voor het zwarte gat Sagittarius A* (Sgr A*) in het hart van onze Melkweg – zowel in de algemene relativiteitstheorie als in een andere theorie van zwaartekracht. Het doel was om te testen of Einsteiniaanse zwarte gaten te onderscheiden zijn van die in alternatieve zwaartekrachttheorieën.

Niet alle lichtstralen (of fotonen) die worden geproduceerd door materie die op een zwart gat valt, worden gevangen door de waarnemingshorizon, een gebied van ruimtetijd waaruit niets kan ontsnappen. Sommige van deze fotonen zullen verre waarnemers bereiken, zodat wanneer een zwart gat direct wordt waargenomen, een "schaduw" wordt verwacht tegen de achtergrondhemel. De grootte en vorm van deze schaduw zal afhangen van de eigenschappen van het zwarte gat en van de zwaartekrachttheorie.

Omdat de grootste afwijkingen van Einsteins relativiteitstheorie zeer dicht bij de waarnemingshorizon worden verwacht, en aangezien alternatieve zwaartekrachttheorieën verschillende voorspellingen doen over de eigenschappen van schaduw, directe waarnemingen van Sgr A* vertegenwoordigen een veelbelovende benadering voor het testen van de zwaartekracht in het sterkste regime. Het maken van dergelijke beelden van de schaduw van een zwart gat is het hoofddoel van de internationale Event Horizon Telescope Collaboration (EHTC), die radiogegevens van telescopen over de hele wereld combineert.

Wetenschappers van het BlackHoleCam-team in Europa, die deel uitmaken van de EHTC, zijn nu een stap verder gegaan en hebben onderzocht of het mogelijk is om onderscheid te maken tussen een "Kerr" zwart gat van de zwaartekracht van Einstein en een "dilaton" zwart gat, wat een mogelijke oplossing is van een alternatieve zwaartekrachttheorie.

De onderzoekers bestudeerden de evolutie van materie die in de twee zeer verschillende soorten zwarte gaten valt en berekenden de uitgezonden straling om de beelden te construeren. Verder, real-life fysieke omstandigheden in de telescopen en interstellaire medium werden gebruikt om fysiek realistische beelden te creëren. "Om de effecten van verschillende zwarte gaten vast te leggen, gebruikten we realistische simulaties van accretieschijven met bijna identieke initiële opstellingen. Deze dure numerieke simulaties gebruikten state-of-the-art codes en enkele maanden op de supercomputer LOEWE van het Instituut, " zegt Dr. Mizuno, hoofdauteur van de studie.

Bovendien, verwachte radiobeelden hebben uiteraard een beperkte resolutie en beeldgetrouwheid. Bij gebruik van realistische beeldresoluties, vonden de wetenschappers, tot hun verbazing, dat zelfs zeer niet-Einsteiniaanse zwarte gaten zichzelf zouden kunnen vermommen als normale zwarte gaten.

"Onze resultaten laten zien dat er theorieën over zwaartekracht zijn waarin zwarte gaten zich kunnen voordoen als Einsteiniaans, dus nieuwe technieken voor het analyseren van EHT-gegevens kunnen nodig zijn om ze van elkaar te onderscheiden, " merkt Luciano Rezzolla op, professor aan de Goethe-universiteit en leider van het Frankfurt-team. "Hoewel we geloven dat de algemene relativiteitstheorie correct is, als wetenschappers moeten we ruimdenkend zijn. Gelukkig, toekomstige observaties en meer geavanceerde technieken zullen deze twijfels uiteindelijk wegnemen, " concludeert Rezzolla.

"Inderdaad, onafhankelijke informatie van een in een baan om de aarde draaiende pulsar, waar we actief naar op zoek zijn, helpt deze onduidelijkheden weg te nemen, " zegt Michaël Kramer, directeur van de MPI voor Radioastronomie in Bonn. Heino Falcke (hoogleraar Radboud Universiteit), die 20 jaar geleden voorstelde om radiotelescopen te gebruiken om de schaduw van zwarte gaten in beeld te brengen, optimistisch is. "Het lijdt weinig twijfel dat de EHT uiteindelijk sterk bewijs zal verkrijgen van een schaduw van een zwart gat. Deze resultaten moedigen ons aan om onze technieken verder te verfijnen dan de huidige stand van de techniek en zo in de toekomst nog scherpere beelden te maken.