Fakkels van het superzware binaire zwarte gat OJ 287 leggen beperkingen op aan de "No Hair Theorem"

NASA's infraroodobservatorium Spitzer heeft onlangs de uitbarsting van het gigantische binaire zwarte gat OJ 287 waargenomen, binnen het geschatte tijdsinterval dat voorspeld werd door het model dat ontwikkeld is door astrofysici. Deze waarneming heeft verschillende aspecten van de algemene relativiteitstheorie, het 'no-hair-theorema', getest en bewezen dat OJ 287 inderdaad een bron is van infrarood zwaartekrachtgolven.

Het sterrenstelsel OJ 287 , gelegen in het sterrenbeeld Kreeft op 3.5 miljard lichtjaar afstand van de aarde, heeft twee zwarte gaten : een groter zwart gat met een massa van meer dan 18 miljard keer die van de zon, en een kleiner zwart gat met een massa van ongeveer 150 miljoen keer die van de zon , dat hier omheen draait. Samen vormen ze een binair zwartgatsysteem . Tijdens zijn baan om het grotere zwarte gat botst het kleinere zwarte gat door de enorme accretieschijf van gas en stof die zijn grotere metgezel omringt, waardoor een lichtflits ontstaat die helderder is dan een biljoen sterren.

Het kleinere zwarte gat botst tweemaal per twaalf jaar met de accretieschijf van het grotere. Vanwege de onregelmatige, langwerpige baan (in wiskundige termen quasi-Keplarian genoemd, zoals weergegeven in de onderstaande figuur) kunnen de flares echter op verschillende tijdstippen verschijnen – soms met een tussenpoos van slechts één jaar, en soms met een tussenpoos van wel tien jaar (1). Verschillende pogingen om de baan te modelleren en te voorspellen wanneer flares zouden plaatsvinden, mislukten tot 2010, toen astrofysici een model ontwikkelden dat hun verschijning met een foutmarge van ongeveer één tot drie weken kon voorspellen. De nauwkeurigheid van het model werd aangetoond door de verschijning van een flare in december 2015 tot op drie weken nauwkeurig te voorspellen.

Een ander belangrijk stukje informatie dat heeft bijgedragen aan de succesvolle theorie van het binaire zwarte gatensysteem OJ 287 is het feit dat supermassieve zwarte gaten bronnen van zwaartekrachtgolven kunnen zijn – wat is vastgesteld na de experimentele waarneming van zwaartekrachtgolven in 2016, geproduceerd tijdens de samensmelting van twee supermassieve zwarte gaten . Er is voorspeld dat OJ 287 de bron is van infrarode zwaartekrachtgolven (2).

In 2018 leverde een groep astrofysici een nog gedetailleerder model aan en beweerde de timing van toekomstige zonnevlammen tot op enkele uren nauwkeurig te kunnen voorspellen (3). Volgens dit model zou de volgende zonnevlam plaatsvinden op 31 juli 2019 en werd de tijd voorspeld met een foutmarge van 4.4 uur. Het model voorspelde ook de helderheid van de door de inslag veroorzaakte zonnevlam tijdens die gebeurtenis. De gebeurtenis werd vastgelegd en bevestigd door NASA's Spitzer -ruimtetelescoop (4), die in januari 2020 buiten gebruik werd gesteld. Om de voorspelde gebeurtenis te observeren, was Spitzer onze enige hoop, aangezien deze zonnevlam niet zichtbaar was voor andere telescopen op de grond of in een baan om de aarde , omdat de zon zich in het sterrenbeeld Kreeft bevond en OJ 287 en de aarde zich aan tegenovergestelde kanten ervan bevonden. Deze observatie bewees ook dat OJ 287 zwaartekrachtgolven uitzendt in het infraroodgebied, zoals voorspeld. Volgens deze theorie zal de door de inslag veroorzaakte zonnevlam van OJ 287 naar verwachting in 2022 plaatsvinden.

De waarnemingen van deze flares leggen een beperking op aan het ‘ geen-haar-theorema ’ (5,6), dat stelt dat zwarte gaten weliswaar geen echt oppervlak hebben, maar dat er een grens omheen bestaat waarbuiten niets – zelfs geen licht – kan ontsnappen. Deze grens wordt de waarnemingshorizon genoemd. Dit theorema postuleert ook dat de materie die een zwart gat vormt of erin valt, ‘verdwijnt’ achter de waarnemingshorizon van het zwarte gat en daardoor permanent ontoegankelijk is voor externe waarnemers, wat suggereert dat zwarte gaten ‘geen haar’ hebben. Een direct gevolg van het theorema is dat zwarte gaten volledig gekarakteriseerd kunnen worden met hun massa , elektrische lading en intrinsieke spin. Volgens sommige wetenschappers zou deze buitenrand van het zwarte gat, oftewel de waarnemingshorizon, hobbelig of onregelmatig kunnen zijn, wat in tegenspraak zou zijn met het ‘geen-haar-theorema’. Als men echter de juistheid van de "geen-haar-stelling" moet bewijzen, is de enige plausibele verklaring dat de ongelijke massaverdeling van het grote zwarte gat de ruimte eromheen zodanig vervormt dat het de baan van het kleinere zwarte gat verandert , en daardoor het tijdstip van de botsing van het zwarte gat met de accretieschijf op die specifieke baan verandert , wat op zijn beurt een verandering in het tijdstip van het verschijnen van de waargenomen flares veroorzaakt.

Zoals te verwachten valt, zijn zwarte gaten moeilijk te onderzoeken. Daarom zijn er, naarmate we verder gaan, nog veel meer experimentele waarnemingen nodig met betrekking tot de interacties van zwarte gaten met hun omgeving en met andere zwarte gaten, voordat de geldigheid van het 'no hair theorem' kan worden bevestigd.

***

Referenties:

1. Valtonen V., Zola S., c.s.. 2016, "Primaire zwarte gat-spin in OJ287 zoals bepaald door de honderdjarige uitbarsting van de algemene relativiteitstheorie", Astrophys. J. Let. 819 (2016) nr.2, L37. DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8205/819/2/L37
2. Abbott BP., c.s.. 2016. (LIGO Scientific Collaboration en Virgo Collaboration), "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger", Phys. ds. Lett. 116, 061102 (2016). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.061102
3. Dey L., Valtonen MJ., Gopakumar A. c.s. 2018. "Authenticatie van de aanwezigheid van een relativistisch massief zwart-gat-binair getal in PB 287 met behulp van de algemene relativiteitstheorie van honderd jaar: verbeterde orbitale parameters", Astrofysica. J. 866, 11 (2018). DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aadd95
4. Laine S., Dey L., c.s. 2020. "Spitzer-waarnemingen van de voorspelde Eddington-uitbarsting van Blazar OJ 287". Astrophysical Journal Letters, vol. 894, nr. 1 (2020). DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ab79a4
5. Gürlebeck, N., 2015. "No-hair-stelling voor zwarte gaten in astrofysische omgevingen", Physical Review Letters 114 (151102). DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.151102
6. Hawking Stephen W., et al 2016. Zacht haar op zwarte gaten. https://arxiv.org/pdf/1601.00921.pdf

***