In 2017 klonk er een zwaartekrachtgolf over de aarde als de heldere toon van een bel. Het strekte zich uit en kneep elke persoon, mier en wetenschappelijk instrument op de planeet terwijl het door ons gebied van de ruimte ging. Nu zijn onderzoekers teruggegaan en hebben ze die golf bestudeerd en er verborgen gegevens in gevonden - gegevens die een decennia-oud astrofysisch idee helpen bevestigen.
Die golf van 2017 was een groot probleem: voor het eerst hadden astronomen een hulpmiddel dat het kon detecteren en registreren terwijl het voorbijging, bekend als de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Die eerste golf was het resultaat, vonden ze, van twee zwarte gaten die ver weg in de ruimte tegen elkaar botsten. En nu heeft een team van astrofysici de opname nog een keer bekeken en ontdekt dat iets waarvan anderen dachten dat het tientallen jaren zou duren om te ontdekken: nauwkeurige bevestiging van de 'stelling zonder haar'. Dit essentiële aspect van de theorie van het zwarte gat dateert tenminste uit de jaren zeventig - een stelling waar Stephen Hawking beroemd om twijfelde.
Als natuurkundigen zeggen dat zwarte gaten geen 'haar' hebben, zegt Maximiliano Isi, natuurkundige bij MIT en hoofdauteur van het artikel, dan bedoelen ze dat astrofysische objecten heel eenvoudig zijn. Zwarte gaten verschillen alleen op drie manieren van elkaar: snelheid, massa en elektrische lading. En in de echte wereld verschillen zwarte gaten waarschijnlijk niet veel in elektrische lading, dus ze verschillen eigenlijk alleen in termen van massa en spin. Natuurkundigen noemen deze kale objecten 'zwarte gaten van Kerr'.
Die haarloosheid maakt zwarte gaten heel anders dan zowat elk ander object in het universum, vertelde Isi aan WordsSideKick.com. Wanneer een echte bel bijvoorbeeld klinkt, zendt hij geluidsgolven uit en een aantal niet-waarneembare, ongelooflijk zwakke zwaartekrachtgolven. Maar het is een veel gecompliceerder object. Een bel is bijvoorbeeld gemaakt van een materiaal (misschien brons of gietijzer), terwijl volgens het model zonder haar zwarte gaten allemaal uniforme bijzonderheden zijn. Elke bel heeft ook een enigszins unieke vorm, terwijl zwarte gaten allemaal oneindig kleine, dimensieloze punten in de ruimte zijn, omringd door bolvormige horizon. Al die kenmerken van een bel zijn te herkennen in het geluid dat een bel maakt - tenminste als je iets weet van bellen en geluidsgolven. Als je op de een of andere manier de zwaartekrachtgolven van een bel zou kunnen waarnemen, zou je die verschillen in de samenstelling en vorm van de bel ook detecteren, zei Isi.
"Het geheim van dit hele bedrijf is dat de golfvorm - het patroon van dit uitrekken en knijpen - informatie codeert over de bron, het ding dat deze zwaartekrachtgolf veroorzaakte," vertelde hij WordsSideKick.com.
En astronomen die de golf van 2017 bestudeerden, leerden veel over de botsing met het zwarte gat die deze veroorzaakte, zei Isi.
Maar de opname was vaag en niet erg gedetailleerd. LIGO, de beste zwaartekrachtsgolfdetector ter wereld, gebruikte een laser om de afstanden tussen spiegels die 4 kilometer van elkaar verwijderd waren, te meten in een L-patroon in de staat Washington. (Maagd, een soortgelijke detector, pakte ook de golf op in Italië.) Toen de golf over LIGO rolde, vervormde het de ruimtetijd zelf en veranderde die afstand enigszins. Maar de details van die zwaartekrachtgolf waren niet intens genoeg om door de detectoren te worden geregistreerd, zei Isi.
'Maar het is alsof we van heel ver luisteren', zei Isi.
Die golf bood destijds veel informatie. Het zwarte gat gedroeg zich zoals verwacht. Er was geen duidelijk bewijs dat het een gebeurtenishorizon miste (het gebied waarbuiten geen licht kan ontsnappen) en het week niet dramatisch af van de stelling zonder haar, zei Isi.
Maar veel van die punten konden de onderzoekers niet erg zeker weten, vooral de stelling zonder haar. Het eenvoudigste deel van de golfvorm om te bestuderen, zei Isi, kwam nadat de twee zwarte gaten waren samengevoegd tot één groter zwart gat. Het bleef een tijdje rinkelen, net als een geslagen bel, en stuurde zijn overtollige energie de ruimte in als zwaartekrachtsgolven - wat astrofysici het 'ringdown'-proces noemen.
Destijds zagen onderzoekers die naar LIGO-gegevens keken slechts één golfvorm in de ringdown. Onderzoekers dachten dat het tientallen jaren zou duren om instrumenten te ontwikkelen die gevoelig genoeg waren om eventuele stillere boventonen op te vangen in de ringdown. Maar een van Isi's collega's, Matt Giesler, natuurkundige bij het California Institute of Technology, kwam erachter dat er vlak na de botsing een korte periode was waarin de ringdown zo intens was dat LIGO meer details vastlegde dan normaal. En op die momenten was de golf zo luid dat LIGO een boventoon oppikte - een tweede golf met een andere frequentie, heel erg zoals de zwakke secundaire noten die worden gedragen in het geluid van een geslagen bel.
In muziekinstrumenten bevatten boventonen de meeste informatie die instrumenten hun onderscheidende geluiden geven. Hetzelfde geldt voor de boventonen van een zwaartekrachtsgolf, zei hij. En deze pas blootgelegde boventoon verduidelijkte de gegevens over het rinkelende zwarte gat veel, zei Isi.
Het toonde, zei hij, dat het zwarte gat op zijn minst heel dicht bij een zwart gat van Kerr lag. De stelling zonder haar kan worden gebruikt om te voorspellen hoe de boventoon eruit zal zien; Isi en zijn team lieten zien dat de boventoon ongeveer overeenkwam met die voorspelling. De opname van de boventoon was echter niet erg duidelijk, dus het is nog steeds mogelijk dat de toon enigszins anders was - met ongeveer 10% - van wat de stelling zou voorspellen ...
Om verder te gaan dan dat niveau van precisie, zei hij, zou je een duidelijkere boventoon moeten halen uit de golfvorm van een botsing met een zwart gat, of een gevoeliger instrument moeten bouwen dan LIGO, zei Isi.
'Bij natuurkunde gaat het om steeds dichterbij komen', zei Isi. 'Maar je weet het nooit zeker.'
Het is zelfs mogelijk dat het signaal van de boventoon niet echt is, maar bij toeval is ontstaan door willekeurige fluctuaties van de gegevens. Ze rapporteerden een "3,6σ vertrouwen" in het bestaan van de boventoon. Dat betekent dat er een kans van 1 op 6.300 is dat de boventoon geen echt signaal is van het zwarte gat.
Naarmate instrumenten verbeteren en er meer zwaartekrachtsgolven worden gedetecteerd, zouden al deze cijfers zelfverzekerder en nauwkeuriger moeten worden, zei Isi. LIGO heeft al upgrades ondergaan waardoor het detecteren van botsingen met zwarte gaten vrij routinematig is geworden. Een andere upgrade, gepland voor medio 2020, zou de gevoeligheid vertienvoudigen, aldus Physics World. Zodra de ruimtegebaseerde Laser Interferometer Space Antenna (LISA) halverwege de jaren 2030 wordt gelanceerd, zouden astronomen de haarloosheid van zwarte gaten moeten kunnen bevestigen tot een mate van zekerheid die vandaag onmogelijk is.
Isi zei echter dat het altijd mogelijk is dat zwarte gaten niet helemaal kaal zijn - ze hebben misschien wat quantum peach fuzz die simpelweg te zacht en te kort is om onze instrumenten op te pikken.
