De afgelopen maanden heeft Universe Today een overvloed aan wetenschappelijke velden onderzocht, waaronder inslagkraters, planetaire oppervlakken, exoplaneten, astrobiologie, zonnefysica, kometen, planetaire atmosferen, planetaire geofysica, kosmochemie, meteorieten, radioastronomie, extremofielen en organische chemie. , en hoe deze verschillende disciplines wetenschappers en het publiek helpen onze plaats in de kosmos beter te begrijpen.

Hier zullen we het fascinerende en mysterieuze veld van zwarte gaten bespreken met Dr. Gaurav Khanna, hoogleraar aan de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Rhode Island, over het belang van het bestuderen van zwarte gaten, de voordelen en uitdagingen, opwindende aspecten over het bestuderen van zwarte gaten, en hoe aankomende studenten zwarte gaten gaan bestuderen.

Dus, wat is het belang van het bestuderen van zwarte gaten?

"Zwaartekracht is de oudst bekende, maar de minst begrepen kracht in de natuur", vertelt Dr. Khanna aan Universe Today. ‘Voor onderzoekers van de zwaartekracht behoren zwarte gaten tot de meest interessante objecten om te bestuderen, omdat de zwaartekracht daar de dominante kracht is – sterker nog, het is oneindig sterk! Dan zijn er ook astrofysische redenen voor interesse in zwarte gaten. Ze spelen een belangrijke rol in sterrenstelsels, misschien zelfs in het grootschalige gedrag van het universum en meer.

“Het andere wat je moet opmerken over zwarte gaten is dat ze heel ‘eenvoudig’ zijn, vooral als je ze vergelijkt met sterren en andere astrofysische objecten. Dit is een gevolg van de zogenaamde ‘geen haar’-stelling die stelt dat zwarte gaten volledig kunnen worden gekarakteriseerd. door slechts drie kenmerken:hun massa, lading en spin. Die eenvoud maakt ze bijzonder aantrekkelijk om te bestuderen en te onderzoeken."

Zwarte gaten staan ​​erom bekend dat ze een zwaartekracht vertonen die zo sterk is dat licht niet eens kan ontsnappen, en hoewel Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1915 vaak als eerste het concept van zwarte gaten voorstelt, wordt het concept van een object waarvan de grootte en zwaartekracht dat niet zouden doen, vaak gezien als de eerste die het concept van zwarte gaten voorstelde. licht laten ontsnappen werd voor het eerst voorgesteld in een brief uit november 1784 van de Engelse filosoof en predikant John Mitchell.

In deze brief noemde Mitchell deze objecten 'donkere sterren', omdat hij postuleerde dat sterren met een diameter groter dan 500 keer die van onze zon de vorming van deze objecten zouden veroorzaken. Bovendien suggereerde hij dat zwaartekrachtsgolven die nabijgelegen hemellichamen beïnvloeden, het mogelijk zouden maken deze objecten te detecteren.

Snel vooruit naar Einsteins algemene relativiteitstheorie, die ook zowel het bestaan ​​van zwarte gaten als zwaartekrachtsgolven voorspelde, die beide gedurende de 20e eeuw onder de loep werden genomen, inclusief wat de ‘gouden eeuw van de algemene relativiteitstheorie’ wordt genoemd in de jaren zestig en Jaren 70. Dit geldt ook voor het eerste object dat door de wetenschappelijke gemeenschap als een zwart gat werd geaccepteerd, Cygnus X-1 genaamd, en dat in 1964 werd ontdekt. ​​Het duurde echter nog eens 52 jaar voordat het bestaan ​​van zwaartekrachtsgolven werd bevestigd door een samensmelting van zwarte gaten. werd tot stand gebracht door de LIGO Scientific Collaboration.

Wat zijn daarom, gezien de uitgebreide geschiedenis in combinatie met belangrijke ontdekkingen die pas de afgelopen jaren zijn gedaan, enkele van de voordelen en uitdagingen van het bestuderen van zwarte gaten?

Dr. Khanna vertelt aan Universe Today:“Zoals ik hierboven al zei, biedt het bestuderen van zwarte gaten, die een gevolg zijn van de relativiteitstheorie van Einstein, inzicht in de aard van zwaartekracht, ruimte en tijd op de meest fundamentele niveaus. Als natuurkundigen moeten we dat nog doen een volledig begrip ontwikkelen van de kwantumaard van de zwaartekracht, en zwarte gaten zijn de sleutel tot het ontrafelen van dat mysterie.

‘Wat de uitdagingen betreft, zou ik zeggen dat het duidelijkste misschien is dat zwarte gaten alleen indirect kunnen worden waargenomen. In tegenstelling tot sterren is het voor astronomen moeilijk om er gegevens over te verzamelen, omdat ze zelf geen straling uitzenden. we kunnen hun invloed op hun omgeving observeren (zoals gas, sterren, enz.) en hun eigenschappen en gedrag afleiden.

‘Hoewel het inderdaad waar is dat zwarte gaten heel ‘eenvoudig’ zijn in vergelijking met sterren, zijn er aan de theoretische kant nog steeds uitdagingen. De wiskunde en natuurkunde die ze beschrijven zijn redelijk geavanceerd en zelfs computersimulaties waarbij ze betrokken zijn, zijn uitdagend en vereisen enorme verwerkingsprocessen. kracht en geheugen."

Terwijl het meer dan 100 jaar duurde tussen Einsteins introductie van zijn algemene relativiteitstheorie in 1915 en de bevestiging van zwaartekrachtsgolven in 2016, duurde het nog maar drie jaar voordat astronomen het eerste directe beeld van een zwart gat in het centrum van de Messier 87 publiceerden. sterrenstelsel.

De resultaten zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters en gebaseerd op waarnemingen gedaan in 2017 door de krachtige Event Horizon Telescope (EHT). Terwijl Messier 87 zich op ongeveer 53 miljoen lichtjaar van de aarde bevindt, bevindt het dichtstbijzijnde veronderstelde zwarte gat, Gaia BH1, zich op ongeveer 1.560 lichtjaar van de aarde. In 2022 publiceerden astronomen een directe afbeelding van Sagittarius A*, het superzware zwarte gat in het centrum van ons Melkwegstelsel.

Dr. Khanna vertelt aan Universe Today:"Ik denk dat ik waarschijnlijk zou verwijzen naar mijn recente werk over hoe zeer snel roterende zwarte gaten proberen 'haar te laten groeien', maar uiteindelijk falen. Het project is interessant omdat het lijkt te suggereren dat er sprake is van een schending van de 'haargroei'." no hair'-stelling die ik eerder noemde, maar dat is uiteindelijk niet het geval. Het is dus provocerend, maar dan ook verlichtend!

‘Wat nog belangrijker is, is dat we nu de hoofdcontext van dat onderzoek gebruiken om een ​​nieuwe observationele ‘signatuur’ of test te ontwikkelen voor snel roterende zwarte gaten, ook wel bijna-extremale zwarte gaten genoemd. Dergelijke zwarte gaten hebben verschillende bijzondere eigenschappen en aspecten en zijn een gebied van actief onderzoek."

Zwarte gaten worden bestudeerd door astronomen, natuurkundigen en astrofysici, die een combinatie van theorie en observaties gebruiken om te construeren hoe zwarte gaten eruit zouden kunnen zien, en in zeldzame gevallen, zoals besproken, er directe beelden van krijgen. Wat de theorie betreft, gebruiken onderzoekers wiskundige berekeningen en computermodellen om te simuleren hoe zwarte gaten eruit zouden kunnen zien, en hebben ze vervolgens krachtige telescopen op de grond, zoals EHT, gebruikt om de weinige directe beelden van zwarte gaten te verkrijgen.

Het is belangrijk op te merken dat deze directe beelden niet het zwarte gat zelf vastleggen, maar de gassen die de waarnemingshorizon van het zwarte gat omringen, of de onofficiële grens waar licht niet aan het zwarte gat kan ontsnappen.

Maar welk advies kan dr. Khanna aankomende studenten bieden die zwarte gaten willen bestuderen?

Dr. Khanna vertelt aan Universe Today:"Ik zou ze veel aanmoediging willen bieden! Er is veel te doen op dit gebied en veel mysteries om op te lossen. Nieuwe observaties zullen veel nieuwe deuren en gloednieuwe wegen voor onderzoek openen. Dit is een van de beste tijden om astrofysicus van een zwart gat te zijn!"

Dr. Khanna vervolgt:‘Het enige dat ik misschien zou kunnen zeggen, dat elders niet zo veel nadruk wordt gelegd, gaat over computers als een hulpmiddel om zwarte gaten te bestuderen. Meestal wordt er veel nadruk gelegd op het leren van geavanceerde wiskunde als achtergrond voor serieus onderzoek in zwarte gaten. gaten – en met goede reden – die van cruciaal belang blijven voor elke student van Einsteins relativiteitstheorie, die de basis vormt voor de fysica van zwarte gaten.

‘De afgelopen jaren zijn computersimulaties snel vooruitgegaan, en met behulp van computerhulpmiddelen kunnen nu grote ontdekkingen worden gedaan over diepgaande vragen. Op de lange termijn zou computerprogrammering een veelbelovend hulpmiddel zijn om onderzoek op dit gebied en ook op vele andere gebieden te bevorderen. "