Een internationaal team van onderzoekers, waaronder prof. Badri Krishnan van de Radboud Universiteit, heeft met behulp van zwaartekrachtsgolfobservaties een belangrijke eigenschap van zwarte gaten, bekend als de ‘no-hair’-stelling, geverifieerd. Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Het is een opmerkelijk natuurfeit dat zwarte gaten uiterst eenvoudige objecten zijn. In feite wordt elk zwart gat in ons universum volledig beschreven door slechts twee cijfers:de massa en het impulsmoment (of "spin"). Dit geldt niet voor normale sterren of planeten, die uit veel complexere materieverdelingen bestaan.

Net als elke andere ster hebben zwarte gaten een ‘quasi-normale modus’. Dit zal de meeste lezers bekend voorkomen als de eigenschap van een bel:wanneer de bel door een hamer wordt geraakt, zendt hij een spectrum van tonen uit die na verloop van tijd langzaam vervagen. Deze tonen worden bepaald door vele factoren, zoals de vorm van de bel, het specifieke materiaal waaruit de bel bestaat, enz.

Stelling zonder haar

Op een vergelijkbare manier zendt een verstoord zwart gat een karakteristiek spectrum van zwaartekrachtgolfsignalen uit die specifieke frequenties hebben en na verloop van tijd vervagen. In het licht van de no-hair-stelling moet het quasi-normale modusspectrum voor een zwart gat zeer beperkt zijn, aangezien het hele spectrum ook door slechts twee getallen moet worden bepaald.

Wanneer we dus het zwaartekrachtgolfsignaal ontvangen van een ster die ten minste twee quasi-normale modi bevat, kunnen we deze eigenschap gebruiken om te bepalen of het inderdaad een zwart gat is of niet.

Verrassing in de gegevens

Om deze eigenschap van zwarte gaten te verifiëren, heeft het team de gegevens van het zwaartekrachtgolfsignaal van een samensmelting van binaire zwarte gaten, bekend als GW190521, opnieuw geanalyseerd. Deze gebeurtenis werd in mei 2019 gedetecteerd door de LIGO- en Virgo-observatoria.

Met behulp van gevoeligere technieken ontdekten ze een verrassing die verborgen zat in de gegevens:een tweede, veel zwakkere quasi-normale modus die door eerdere analyses werd gemist. Dit was een grote verrassing, omdat men dacht dat voor dergelijke detecties veel gevoeligere detectoren nodig zouden zijn, die pas halverwege 2030 beschikbaar zouden zijn.

Algemene relativiteitstheorie

‘Meer dan twintig jaar geleden hadden we dergelijke waarnemingen voorgesteld als een manier om de aard van zwarte gaten te testen’, zegt Badri Krishnan. "Destijds geloofden we niet dat de huidige LIGO- en Virgo-detectoren meerdere ringdown-modi zouden kunnen waarnemen. Daarom zijn deze resultaten voor mij bijzonder bevredigend.

"Tot nu toe hebben we geen afwijkingen gevonden van de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie en Einstein heeft nog steeds gelijk. Onze analyse laat zien dat de frequenties en dempingstijden van de quasi-normale modi consistent zijn met de voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie."

Meer informatie: Collin D. Capano et al, Multimode quasinormaal spectrum van een verstoord zwart gat, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221402

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Radboud Universiteit