Heeft Einstein gelijk wat zwarte gaten betreft?
Einsteins theorie over de zwaartekracht voorspelt het bestaan van zwarte gaten. Dit zijn mysterieuze objecten, die zich net als sterren overal in het Universum bevinden. Sinds tientallen jaren denken theoretische fysici echter dat Einsteins beschrijving van de zwaartekracht niet perfect is en zijn ze op zoek naar wat er dan ontbreekt. Bijgevolg zien zwarte gaten er mogelijks anders uit dan oorspronkelijk gedacht. In mijn thesis ben ik op zoek gegaan naar wat beelden van zwarte gaten ons kunnen vertellen over zwaartekracht, licht en het Universum.
Zwarte gaten
Iets meer dan 100 jaar geleden publiceerde Albert Einstein zijn theorie van Algemene Relativiteit (AR). Deze beschrijving van de zwaartekracht combineert onze 3-dimensionale wereld samen met de tijd in een 4-dimensionale ruimtetijd. De ingewikkelde fysica en wiskunde achter deze theorie hebben echter grote gevolgen. Zo presenteerde Karl Schwarzschild een jaar na het verschijnen van AR een opmerkelijk resultaat: een zwart gat. Dit object past volledig in de theorie die Einstein heeft gepubliceerd, maar heeft enkele opmerkelijke eigenschappen. Zo is een zwart gat bijvoorbeeld omringd door een horizon, waar de zwaartekracht enorm sterk is. Eender wat deze grens overschrijdt, zelfs licht, wordt onherroepelijk opgeslokt door het zwart gat. Aangezien licht niet kan ontsnappen aan het zwart gat, eens het voorbij de horizon is, zien we dit zwart gat niet rechtstreeks. We zien enkel een zwarte schaduw waar al het licht verdwenen is.
Gelukkig kunnen we zwarte gaten wel op enkele indirecte manieren observeren. Lichtstralen kunnen nog ontsnappen aan het zwart gat zolang ze niet voorbij de horizon gaan. Licht dat dichtbij de horizon komt, maar er niet voorbijgaat, voelt wel de sterke zwaartekracht. Een gevolg van AR is dat licht in deze extreme omstandigheden sterk afgebogen wordt. Waar licht normaal gezien rechtdoor gaat (bv. bij het schijnen van een zaklamp), wordt een lichtstraal afgebogen dicht bij de horizon van een zwart gat. Dit is te vergelijken met licht dat vervormd wordt als het door gebogen glas gaat. Het gevolg is dat we rond de schaduw van een zwart gat vaak afgebogen licht kunnen zien, met vreemde visuele effecten als gevolg. Door met telescopen op zoek te gaan naar deze lichteffecten zijn er intussen al vele zwarte gaten gevonden in het Universum.
De Event Horizon Telescope
Het is echter nog maar sinds kort mogelijk om gedetailleerde observaties te doen van zwarte gaten. De meest interessante details en effecten spelen zich af rond de horizon en wetenschappers zouden dus met telescopen willen kijken naar zwarte gaten op deze horizonschaal. Aangezien zwarte gaten erg ver van de Aarde staan, moeten de telescopen enorm kleine details kunnen onderscheiden. Dit vereist telescopen met een erg hoge resolutie (=hoe goed een telescoop details kan onderscheiden). Deze resolutie wordt beter naarmate de telescoop groter is. Om foto’s van zwarte gaten te nemen op de horizonschaal is er echter een ongelooflijk hoge resolutie nodig, waarvoor we een telescoop ter grootte van de Aarde zouden nodig hebben. Niet echt haalbaar dus…
… Of wel? De wetenschappers achter de Event Horizon Telescope (EHT) hebben een methode ontwikkeld om verschillende telescopen, verspreid over heel de wereld, op een speciale manier te laten samenwerken. Zo zijn ze er in geslaagd om een ‘effectieve telescoop’ te krijgen, zo groot als de Aarde. In 2019 hebben ze de eerste foto gepubliceerd van een zwart gat op de horizonschaal. Het betreft een zwart gat met een massa van maar liefst 6 miljard Zonnen. In 2022 heeft dezelfde groep ook resultaten gepubliceerd over hun foto’s van het zwart gat in het centrum van ons eigen Melkwegstelsel. De resolutie van deze foto’s? Die is vergelijkbaar met het fotograferen van een donut op het oppervlak van de Maan.
Het testen van Einsteins theorie.
Zoals eerder al vermeld zijn theoretische fysici 
er van overtuigd dat Einstein geen volledige beschrijving van de zwaartekracht heeft gegeven. Dit heeft te maken met het feit dat Algemene Relativiteit niet goed samengaat met een van de andere pijlers van de fysica: kwantummechanica. Dit is een theorie die de natuur beschrijft op de allerkleinste schalen. Reeds in de vorige eeuw hebben wetenschappers beide theorieën proberen te verenigen. Snaartheorie (string theory) is het bekendste voorbeeld van deze pogingen. Er is echter nog geen experimentele bevestiging van deze theorie, en dus tasten theoretici nog altijd in het duister.
Bijgevolg gaan fysici tegenwoordig op zoek naar fenomenen waar AR foute voorspellingen geeft. Er wordt verwacht dat zulke problemen onder andere zullen opduiken bij zwarte gaten. Om hier een idee van te krijgen heb ik in mijn thesis onderzocht hoe foto’s van zwarte gaten ons kunnen vertellen waar het misloopt met AR. Ik heb bestudeerd hoe het licht wordt afgebogen rond 2 modellen van zwarte gaten die voorkomen in uitbreidingen van Einsteins theorie. Als het licht op een andere manier wordt afgebogen dan AR voorspelt, moet dit zichtbaar zijn in gedetailleerde foto’s die (een verbeterde versie van) de EHT zou kunnen produceren. Voor beide zwarte gaten ben ik tot concrete voorspellingen gekomen, die met de voorspellingen van AR vergeleken kunnen worden. Het resultaat is dat het inderdaad mogelijk is om de verschillende types zwarte gaten te onderscheiden van elkaar op basis van het licht dat we zien op de foto’s. Verder is de methode die ik heb gebruikt ook nog uit te breiden naar andere modellen voor zwarte gaten.
Momenteel zijn de foto’s van de EHT nog niet gedetailleerd genoeg om afwijkingen van de voorspellingen van AR te zien, maar er zijn verschillende projecten aan de gang om foto’s te maken met hogere resolutie, waar mijn voorspellingen dan mee vergeleken kunnen worden. Zo komen we mogelijks in de toekomst tot een theorie die nog mooier is dan Algemene Relativiteit, en een correcter beeld geeft van ons spectaculaire Heelal.
