De detectie van de grootste uitbarsting van zwaartekrachtgolven ooit geregistreerd heeft een ongekend perspectief opgeleverd op de horizon van gebeurtenissen, de raadselachtige grenzen waar niets kan ontsnappen aan de aantrekkingskracht van een zwart gat.
In januari 2025 werd het zwaartekrachtgolfsignaal genaamd GW250114 geregistreerd door de LIGO-, Virgo- en KAGRA-observatoria. Dit kosmische fenomeen is ontstaan door de botsing van twee zwarte gaten, elk met ongeveer 32 zonsmassa’s, waardoor rimpelingen in de ruimte-tijd zelf ontstonden.
Een team van wetenschappers analyseerde het opgevangen signaal en stelde vast dat een specifiek element in de zwaartekrachtsgolven overeenkomt met de gecombineerde waarnemingshorizon van de zwarte gaten op het precieze moment van de samensmelting.
“We konden de uiteindelijke geluidsemissie van zwarte gaten meten op het moment van de botsing”, zegt Neil Lu, een van de studiecoördinatoren en onderzoeker bij OzGrav, in een officiële verklaring. Hij legde uit dat “er binnen dit signaal een discrete component zit, bekend als directe golven, die nog niet duidelijk is begrepen. Onze recente beoordeling stelt ons in staat dit deel te interpreteren en ongekende gegevens te verkrijgen uit de buurt van de gebeurtenishorizon.”
De recente ontdekkingen openen een fascinerend perspectief: onderzoekers kunnen nu zwaartekrachtgolven gebruiken als hulpmiddel om de raadselachtige grenzen van zwarte gaten te onderzoeken.
Hoe de horizon van gebeurtenissen het point of no return wordt
Het begrip gebeurtenishorizon vond zijn oorsprong in de oplossingen voor de vergelijkingen van Albert Einsteins zwaartekrachttheorie, de algemene relativiteitstheorie, geformuleerd in 1915. Wiskundige Karl Schwarzschild ontwikkelde deze oplossingen toen hij tijdens de Eerste Wereldoorlog in het Duitse leger aan het oostfront diende.
Schwarzschild identificeerde een bolvormige grens rond een massief lichaam waar de ontsnappingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid. Bekend als de Schwarzschild-straal, is de grootte van deze drempel recht evenredig met de massa van het object. Om een voorbeeld te geven: de Schwarzschild-straal van de zon zou ongeveer 3 kilometer van het centrum verwijderd zijn, terwijl deze voor de aarde slechts 9 millimeter zou zijn. Bij planeten en sterren zit deze straal in hun binnenste.
Anders gezegd, in een zwart gat strekt de Schwarzschild-straal zich uit buiten het lichaam en functioneert als een externe limiet die zelfs licht niet kan overwinnen: de waarnemingshorizon. Elke materie die op dit punt aan de zwaartekracht wil ontsnappen, moet een snelheid bereiken die groter is dan die van het licht, wat volgens Einsteins speciale relativiteitstheorie onbeperkte energie zou vereisen. Gezien het feit dat niets sneller beweegt dan het licht in het universum, kan niets deze horizon verlaten.
Om de mysterieuze aard van een zwart gat te begrijpen, is het cruciaal om te begrijpen dat geen enkel type signaal de snelheid van het licht kan overtreffen. Op deze manier gedraagt de gebeurtenishorizon zich als een eenrichtingsbarrière voor alle informatie. Hoewel een zwart gat gegevens kan absorberen, verhindert de waarnemingshorizon het verlaten ervan, wat betekent dat het interieur van een zwart gat voor ons altijd onwaarneembaar zal blijven.
Het is dan ook niet verwonderlijk dat wetenschappers erg geïnteresseerd zijn in het onderzoeken van gebeurtenishorizons en de verschijnselen die zich daar voordoen. Het doel is niet alleen om de fysica te ontrafelen van de materie die deze onomkeerbare reis naar het centrum van een zwart gat maakt, maar ook om de invloed van deze kosmische reuzen op de configuratie van de ruimte zelf te begrijpen.
De kolossale zwaartekracht van zwarte gaten zorgt ervoor dat de ruimte-tijd zelf om hen heen sleept terwijl ze roteren, een fenomeen dat bekend staat als ‘frame dragging’ of het Lense-Thirring-effect. Dit legt een extra voorwaarde op aan de horizon van gebeurtenissen: niet alleen kan niets aan deze grens ontsnappen, maar niets kan in rust blijven. Deze recente studie leidt wetenschappers naar een dieper begrip van deze complexe dynamiek.
“We hebben GW250114 geanalyseerd, het krachtigste signaal voor een binair zwart gat ooit geïdentificeerd, ongeveer drie keer intenser dan het eerste signaal dat ongeveer tien jaar geleden werd gedetecteerd”, vertelt Ling Sun, een andere medeleider van het team en een OzGrav-onderzoeker. Ze voegde eraan toe dat “ons onderzoek aantoont dat dit buitengewoon sterke signaal kan dienen als een krachtig hulpmiddel voor het onderzoeken van de horizon van het resulterende zwarte gat, waardoor de twee essentiële kenmerken ervan kunnen worden gemeten: de rotatiefrequentie en de zwaartekracht aan het oppervlak.”
Bovendien hebben de verkregen resultaten het potentieel om het gedrag van de zwaartekracht in de meest extreme omstandigheden van de kosmos, met name in de buurt van een zwart gat, te verduidelijken.
“Deze metingen vertegenwoordigen een eerste stap vooruit voor toekomstige onderzoeken van de algemene relativiteitstheorie, waarbij gebruik wordt gemaakt van directe golven”, concludeerde Lu.