Zwarte gaten zijn niet stationair in de ruimte; in feite, ze kunnen behoorlijk actief zijn in hun bewegingen. Maar omdat ze volledig donker zijn en niet direct kunnen worden waargenomen, ze zijn niet gemakkelijk te bestuderen. Wetenschappers hebben eindelijk de precieze timing ontdekt van een gecompliceerde dans tussen twee enorme zwarte gaten, onthullende verborgen details over de fysieke kenmerken van deze mysterieuze kosmische objecten.

Het OJ 287-sterrenstelsel herbergt een van de grootste zwarte gaten ooit gevonden, met meer dan 18 miljard keer de massa van onze zon. In een baan om deze kolos draait nog een zwart gat met ongeveer 150 miljoen keer de massa van de zon. Twee keer per 12 jaar, het kleinere zwarte gat crasht door de enorme schijf van gas die zijn grotere metgezel omringt, het creëren van een lichtflits helderder dan een biljoen sterren - helderder, ook al, dan het hele Melkwegstelsel. Het licht doet er 3,5 miljard jaar over om de aarde te bereiken.

Maar de baan van het kleinere zwarte gat is langwerpig, niet rond, en het is onregelmatig:het verschuift van positie met elke lus rond het grotere zwarte gat en is gekanteld ten opzichte van de schijf van gas. Wanneer het kleinere zwarte gat door de schijf crasht, het creëert twee uitzettende bellen van heet gas die in tegengestelde richting van de schijf weg bewegen, en in minder dan 48 uur lijkt de helderheid van het systeem te verviervoudigen.

Vanwege de onregelmatige baan, het zwarte gat botst op verschillende tijdstippen met de schijf tijdens elke 12-jarige baan. Soms verschijnen de fakkels slechts een jaar uit elkaar; andere tijden, maar liefst 10 jaar uit elkaar. Pogingen om de baan te modelleren en te voorspellen wanneer de uitbarstingen zouden plaatsvinden, duurden tientallen jaren, maar anno 2010 wetenschappers creëerden een model dat hun optreden binnen ongeveer één tot drie weken kon voorspellen. Ze toonden aan dat hun model correct was door het verschijnen van een uitbarsting in december 2015 binnen drie weken te voorspellen.

Vervolgens, in 2018, een groep wetenschappers onder leiding van Lankeswar Dey, een afgestudeerde student aan het Tata Institute of Fundamental Research in Mumbai, Indië, publiceerde een paper met een nog gedetailleerder model waarvan ze beweerden dat het de timing van toekomstige fakkels tot binnen vier uur zou kunnen voorspellen. In een nieuwe studie gepubliceerd in de Astrofysische journaalbrieven , die wetenschappers melden dat hun nauwkeurige voorspelling van een uitbarsting die plaatsvond op 31 juli, 2019, bevestigt dat het model correct is.

De waarneming van die flare gebeurde bijna niet. Omdat PB 287 aan de andere kant van de zon stond dan de aarde, buiten het zicht van alle telescopen op de grond en in een baan om de aarde, het zwarte gat zou pas begin september weer in het zicht van die telescopen komen, lang nadat de gloed was vervaagd. Maar het systeem was binnen het zicht van NASA's Spitzer Space Telescope, waarmee het bureau in januari 2020 met pensioen ging.

Na 16 jaar operaties, de baan van het ruimtevaartuig had het op 158 miljoen mijl (254 miljoen kilometer) van de aarde geplaatst, of meer dan 600 keer de afstand tussen de aarde en de maan. Vanaf dit uitkijkpunt, Spitzer kon het systeem observeren van 31 juli (dezelfde dag dat de flare naar verwachting zou verschijnen) tot begin september, wanneer PB 287 waarneembaar zou worden voor telescopen op aarde.

"Toen ik voor het eerst de zichtbaarheid van PB 287 controleerde, Ik was geschokt toen ik ontdekte dat het voor Spitzer zichtbaar werd precies op de dag dat de volgende uitbarsting zou plaatsvinden, " zei Seppo Laine, een associate staff scientist bij Caltech/IPAC in Pasadena, Californië, die toezicht hield op Spitzer's observaties van het systeem. "Het was buitengewoon gelukkig dat we de piek van deze zonnevlam konden vastleggen met Spitzer, omdat geen enkel ander door mensen gemaakte instrument in staat was om deze prestatie op dat specifieke moment te bereiken."

Rimpelingen in de ruimte

Wetenschappers modelleren regelmatig de banen van kleine objecten in ons zonnestelsel, als een komeet die om de zon draait, rekening houdend met de factoren die hun beweging het sterkst zullen beïnvloeden. Voor die komeet, de zwaartekracht van de zon is meestal de dominante kracht, maar de aantrekkingskracht van nabije planeten kan zijn pad veranderen, te.

Het bepalen van de beweging van twee enorme zwarte gaten is veel complexer. Wetenschappers moeten rekening houden met factoren die mogelijk geen merkbare invloed hebben op kleinere objecten; de belangrijkste daarvan zijn iets dat zwaartekrachtsgolven wordt genoemd. Einsteins algemene relativiteitstheorie beschrijft zwaartekracht als het kromtrekken van de ruimte door de massa van een object. Wanneer een object door de ruimte beweegt, de vervormingen veranderen in golven. Einstein voorspelde het bestaan ​​van zwaartekrachtsgolven in 1916, maar ze werden pas in 2015 rechtstreeks waargenomen door de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO).

Hoe groter de massa van een object, hoe groter en energieker de zwaartekrachtsgolven die het creëert. In het PB 287-systeem, wetenschappers verwachten dat de zwaartekrachtsgolven zo groot zijn dat ze genoeg energie van het systeem kunnen wegdragen om de baan van het kleinere zwarte gat meetbaar te veranderen - en dus de timing van de fakkels.

Terwijl eerdere studies van PB 287 rekening hebben gehouden met zwaartekrachtsgolven, het 2018-model is het meest gedetailleerde tot nu toe. Door informatie op te nemen die is verzameld uit LIGO's detecties van zwaartekrachtsgolven, het verfijnt het venster waarin een flare naar verwachting zal optreden tot slechts 1 1/2 dag.

Om de voorspelling van de fakkels verder te verfijnen tot slechts vier uur, de wetenschappers vouwden details over de fysieke kenmerken van het grotere zwarte gat. specifiek, het nieuwe model bevat iets dat de "geen-haar"-stelling van zwarte gaten wordt genoemd.

Gepubliceerd in de jaren zestig door een groep natuurkundigen, waaronder Stephen Hawking, de stelling doet een voorspelling over de aard van de "oppervlakken" van zwarte gaten. Hoewel zwarte gaten geen echte oppervlakken hebben, wetenschappers weten dat er een grens om hen heen is waarbuiten niets - zelfs geen licht - kan ontsnappen. Sommige ideeën stellen dat de buitenrand, de gebeurtenishorizon genoemd, kan hobbelig of onregelmatig zijn, maar de stelling zonder haar stelt dat het "oppervlak" dergelijke kenmerken niet heeft, niet eens haar (de naam van de stelling was een grap).

Met andere woorden, als men het zwarte gat langs zijn rotatieas doormidden zou snijden, het oppervlak zou symmetrisch zijn. (De rotatie-as van de aarde is bijna perfect uitgelijnd met de noord- en zuidpool. Als je de planeet langs die as doormidden snijdt en de twee helften vergelijkt, zou je ontdekken dat onze planeet grotendeels symmetrisch is, hoewel kenmerken zoals oceanen en bergen enkele kleine variaties tussen de helften creëren.)

Symmetrie vinden

In de jaren zeventig, Emeritus hoogleraar Caltech Kip Thorne beschreef hoe dit scenario - een satelliet die rond een enorm zwart gat draait - mogelijk zou kunnen onthullen of het oppervlak van het zwarte gat glad of hobbelig was. Door zo nauwkeurig te anticiperen op de baan van het kleinere zwarte gat, het nieuwe model ondersteunt de no-hair-stelling, wat betekent dat ons basisbegrip van deze ongelooflijk vreemde kosmische objecten correct is. Het PB 287-systeem, met andere woorden, ondersteunt het idee dat oppervlakken van zwarte gaten symmetrisch zijn langs hun rotatie-assen.

Dus hoe beïnvloedt de gladheid van het oppervlak van het massieve zwarte gat de timing van de baan van het kleinere zwarte gat? Die baan wordt grotendeels bepaald door de massa van het grotere zwarte gat. Als het massiever werd of een deel van zijn gewicht verloor, dat zou de grootte van de baan van een kleiner zwart gat veranderen. Maar ook de verdeling van de massa is van belang. Een enorme uitstulping aan één kant van het grotere zwarte gat zou de ruimte eromheen anders vervormen dan wanneer het zwarte gat symmetrisch zou zijn. That would then alter the smaller black hole's path as it orbits its companion and measurably change the timing of the black hole's collision with the disk on that particular orbit.

"It is important to black hole scientists that we prove or disprove the no-hair theorem. Without it, we cannot trust that black holes as envisaged by Hawking and others exist at all, " said Mauri Valtonen, an astrophysicist at University of Turku in Finland and a coauthor on the paper.