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

NASA's infrarood-observatorium Spitzer heeft onlangs de uitbarsting waargenomen van het gigantische binaire zwarte-gatsysteem OJ 287, binnen het geschatte tijdsinterval dat is voorspeld door het model dat is ontwikkeld door astrofysici. Deze waarneming heeft verschillende aspecten van de algemene relativiteitstheorie getest, de "Geen-haar-stelling", en heeft aangetoond dat PB 287 inderdaad een bron is van infrarode zwaartekrachtgolven.

De PB 287 melkwegstelsel, gelegen in het sterrenbeeld Kreeft, 3.5 miljard lichtjaar verwijderd van de aarde, heeft twee zwarte gaten - de grotere met meer dan 18 miljard keer de massa van de zon en in een baan eromheen is een kleiner zwart gat met ongeveer 150 miljoen keer de zonsmassa, en ze vormen een binair zwart-gatsysteem. Terwijl het rond de grotere cirkel draait, stort het kleinere zwarte gat zich 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 twee keer in de twaalf jaar met de accretieschijf van het grotere. Vanwege zijn onregelmatige langwerpige baan (quasi-Keplarisch genoemd in de wiskundige terminologie, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding), kunnen de fakkels op verschillende tijdstippen verschijnen - soms slechts een jaar uit elkaar; andere keren, maar liefst 10 jaar uit elkaar (1). Verschillende pogingen om de baan te modelleren en te voorspellen wanneer uitbarstingen zouden plaatsvinden, waren niet succesvol tot in 2010, toen astrofysici een model creëerden dat hun optreden kon voorspellen met een fout van ongeveer één tot drie weken. De nauwkeurigheid van het model werd aangetoond door het optreden van een uitbarsting in december 2015 tot binnen drie weken te voorspellen.

Een ander belangrijk stuk informatie dat is gebruikt bij het maken van een succesvolle theorie van het binaire zwarte-gatsysteem OJ 287, is het feit dat superzware zwarte gaten bronnen van zwaartekrachtsgolven kunnen zijn - wat is vastgesteld na de experimentele waarneming van de zwaartekrachtsgolven in 2016, geproduceerd tijdens het samensmelten van twee superzware zwarte gaten. Er is voorspeld dat PB 287 de bron is van infrarode zwaartekrachtsgolven (2).

In 2018 leverde een groep astrofysici een nog gedetailleerder model en beweerden ze de timing van toekomstige fakkels tot binnen enkele uren te kunnen voorspellen (3). Volgens dit model zou de volgende flare plaatsvinden op 31 juli 2019 en werd de tijd voorspeld met een fout van 4.4 uur. Het voorspelde ook de helderheid van de door de impact veroorzaakte overstraling die tijdens die gebeurtenis zou plaatsvinden. De gebeurtenis werd vastgelegd en bevestigd door NASA's Spitzer Space Telescope (4), die in januari 2020 met pensioen ging. Om de voorspelde gebeurtenis te observeren, was Spitzer onze enige hoop, aangezien deze flare niet kon worden gezien door een andere telescoop op de grond of in de baan van de aarde , aangezien de zon in het sterrenbeeld Kreeft stond met OJ 287 en de aarde aan weerszijden ervan. Deze waarneming bewees ook dat PB 287, zoals voorspeld, zwaartekrachtsgolven uitzendt in de infrarode golflengte. Volgens deze voorgestelde theorie zal de impact-geïnduceerde fakkel van PB 287 naar verwachting plaatsvinden in 2022.

De waarnemingen van deze fakkels leggen een beperking op de “Geen haarstelling” (5,6) waarin staat dat hoewel zwarte gaten geen echte oppervlakken hebben, er een grens om hen heen is waarbuiten niets – zelfs geen licht – kan ontsnappen. Deze grens wordt de gebeurtenishorizon genoemd. Deze stelling stelt ook dat de materie die een zwart gat vormt of erin valt "verdwijnt" achter de gebeurtenishorizon van het zwarte gat en daarom permanent ontoegankelijk is voor externe waarnemers, wat suggereert dat zwarte gaten "geen haar" hebben. Een direct gevolg van de stelling is dat de zwarte gaten volledig kunnen worden gekarakteriseerd met hun massa, elektrische lading en intrinsieke spin. Volgens sommige wetenschappers zou deze buitenrand van het zwarte gat, dwz de waarnemingshorizon, hobbelig of onregelmatig kunnen zijn, wat in tegenspraak is met de "Geen haar-stelling". Als men echter de juistheid van de "Geen haarstelling" moet bewijzen, is de enige plausibele verklaring dat de ongelijke massaverdeling van het grote zwarte gat de ruimte eromheen zodanig zou vervormen dat dit zou leiden tot een verandering van het pad van het kleinere zwarte gat, en op zijn beurt de timing van de botsing van het zwarte gat met de accretieschijf in die specifieke baan veranderen, waardoor het tijdstip van verschijnen van de waargenomen fakkels verandert.

Zoals te verwachten is, zwarte gaten zijn moeilijk te peilen. Daarom moeten, naarmate we verder gaan, veel meer experimentele waarnemingen met betrekking tot interacties van zwarte gaten, zowel met de omgeving als met andere zwarte gaten, worden bestudeerd voordat men de geldigheid van de "Geen haar-stelling" kan bevestigen.

***

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

***