Geschaalde ‘schaduwen’ van twee superzware zwarte gaten in botsing

Tijdens het samensmelten van superzware zwarte gaten, een nieuwe manier om het vacuüm te meten

Wetenschappers hebben een manier ontdekt om de ‘schaduwen’ van twee superzware zwarte gaten tijdens het botsen te kwantificeren, waardoor astronomen een potentieel nieuw hulpmiddel hebben voor het meten van zwarte gaten in verre sterrenstelsels en het testen van alternatieve zwaartekrachttheorieën.

Drie jaar geleden werd de wereld verbijsterd door het eerste beeld van een zwart gat. Een zwart gat uit het niets omringd door een ring van vurig licht. Dat iconische beeld van[{” attribute=””>black hole at the center of galaxy Messier 87 came into focus thanks to the Event Horizon Telescope (EHT), a global network of synchronized radio dishes acting as one giant telescope.

Now, a pair of Columbia researchers have devised a potentially easier way of gazing into the abyss. Outlined in complementary research studies in Physical Review Letters and Physical Review D, their imaging technique could allow astronomers to study black holes smaller than M87’s, a monster with a mass of 6.5 billion suns, harbored in galaxies more distant than M87, which at 55 million light-years away, is still relatively close to our own Milky Way.

Simulatie van zwaartekrachtlenzen in een paar superzware compacte zwarte gaten. Krediet: Jordi Devalar

Deze techniek heeft slechts twee vereisten. Ten eerste heb je een paar superzware zwarte gaten nodig in het midden van een fusie. Ten tweede moet je het paar ongeveer in een zijhoek bekijken. Vanuit dit zijaanzicht, wanneer het ene zwarte gat voor het andere passeert, zou je een heldere lichtflits moeten kunnen zien, aangezien de gloeiende ring van het zwarte gat wordt vergroot door het zwarte gat dat zich het dichtst bij je bevindt, een fenomeen dat bekend staat als zwaartekracht lensing.

Het effect van de lens is bekend, maar wat de onderzoekers hier ontdekten was een subtiel signaal: een kenmerkende daling van de helderheid die overeenkomt met de “schaduw” van het zwarte gat op de achtergrond. Dit subtiele dimmen kan een paar uur tot een paar dagen duren, afhankelijk van de grootte van de zwarte gaten en hoe verstrengeld hun banen zijn. Als je meet hoe lang de druppel duurt, zeggen de onderzoekers, kun je de grootte en vorm schatten van de schaduw die wordt gecreëerd door de waarnemingshorizon van een zwart gat, het punt waar geen uitgang is, waar niets ontsnapt, zelfs geen licht.

In deze simulatie van een paar superzware samengevoegde zwarte gaten, komt het zwarte gat dat zich het dichtst bij de kijker bevindt dichterbij en lijkt het dus blauw (Box 1), waardoor het roodverschoven zwarte gat erachter wordt opgeblazen door een zwaartekrachtlens. Naarmate het dichtstbijzijnde zwarte gat het licht van het zwarte gat verder weg versterkt (kader 2), ziet de kijker een heldere lichtflits. Maar wanneer het dichtstbijzijnde zwarte gat voor een afgrond of de schaduw van het verste zwarte gat passeert, ziet de kijker een lichte afname in helderheid (Box 3). Deze afname in helderheid (3) is duidelijk zichtbaar in de lichtcurvegegevens onder de afbeeldingen. Krediet: Jordi Devalar

“Het heeft jaren en enorme inspanningen van tientallen wetenschappers gekost om dat hoge-resolutiebeeld van M87 zwarte gaten te maken”, zegt de eerste auteur van het onderzoek, Jordi Davilar, een postdoc aan Columbia en het Flatiron Center for Computational Astrophysics. “Deze aanpak werkt alleen met de grootste en dichtstbijzijnde zwarte gaten – het paar in de kern van M 87 en mogelijk onze Melkweg.”

Hij voegde eraan toe: “Met onze methode meet je de helderheid van zwarte gaten in de tijd, en je hoeft niet elk object ruimtelijk op te lossen. Het zou mogelijk moeten zijn om dit signaal in veel sterrenstelsels te vinden.”

De schaduw van het zwarte gat is het meest mysterieuze en leerzame kenmerk. “Die donkere vlek vertelt ons over de grootte van het zwarte gat, de vorm van de ruimtetijd eromheen en hoe materie in het zwarte gat aan de horizon valt”, zegt co-auteur Zoltan Haiman, hoogleraar natuurkunde aan de Columbia University.

Wanneer een superzware samensmelting van een zwart gat vanaf de zijkant wordt waargenomen, vergroot het zwarte gat dat zich het dichtst bij de kijker bevindt het zwarte gat verder weg door het effect van een zwaartekrachtlens. De onderzoekers ontdekten een korte dip in helderheid die overeenkomt met de “schaduw” van het verre zwarte gat, waardoor de kijker de grootte ervan kon meten. Krediet: Nicoletta Barolwini

De schaduwen van een zwart gat kunnen het geheim van de ware aard van de zwaartekracht verbergen, een van de fundamentele krachten van ons universum. Einsteins zwaartekrachttheorie, ook wel de algemene relativiteitstheorie genoemd, voorspelt de grootte van zwarte gaten. Daarom hebben natuurkundigen ze gezocht om alternatieve zwaartekrachttheorieën te testen in een poging om twee concurrerende ideeën over hoe de natuur werkt met elkaar te verzoenen: de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die grootschalige fenomenen verklaart zoals planetaire rotatie en een uitdijend heelal, en kwantumfysica, die legt uit hoe kleine deeltjes zoals elektronen en fotonen meerdere toestanden tegelijk innemen.

Onderzoekers raakten vervolgens geïnteresseerd in het ontsteken van superzware zwarte gaten Voorman Een vermoedelijk paar superzware zwarte gaten in het centrum van een ver sterrenstelsel in het vroege heelal.[{” attribute=””>NASA’s planet-hunting Kepler space telescope was scanning for the tiny dips in brightness corresponding to a planet passing in front of its host star. Instead, Kepler ended up detecting the flares of what Haiman and his colleagues claim are a pair of merging black holes.

They named the distant galaxy “Spikey” for the spikes in brightness triggered by its suspected black holes magnifying each other on each full rotation via the lensing effect. To learn more about the flare, Haiman built a model with his postdoc, Davelaar.

They were confused, however, when their simulated pair of black holes produced an unexpected, but periodic, dip in brightness each time one orbited in front of the other. At first, they thought it was a coding mistake. But further checking led them to trust the signal.

As they looked for a physical mechanism to explain it, they realized that each dip in brightness closely matched the time it took for the black hole closest to the viewer to pass in front of the shadow of the black hole in the back.

The researchers are currently looking for other telescope data to try and confirm the dip they saw in the Kepler data to verify that Spikey is, in fact, harboring a pair of merging black holes. If it all checks out, the technique could be applied to a handful of other suspected pairs of merging supermassive black holes among the 150 or so that have been spotted so far and are awaiting confirmation.

As more powerful telescopes come online in the coming years, other opportunities may arise. The Vera Rubin Observatory, set to open this year, has its sights on more than 100 million supermassive black holes. Further black hole scouting will be possible when NASA’s gravitational wave detector, LISA, is launched into space in 2030.

“Even if only a tiny fraction of these black hole binaries has the right conditions to measure our proposed effect, we could find many of these black hole dips,” Davelaar said.

References:

“Self-Lensing Flares from Black Hole Binaries: Observing Black Hole Shadows via Light Curve Tomography” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.191101

“Self-lensing flares from black hole binaries: General-relativistic ray tracing of black hole binaries” by Jordy Davelaar and Zoltán Haiman, 9 May 2022, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.105.103010