Natuurkunde Toen hij in 1971 zijn stelling formuleerde, had Hawking niet gedacht dat die „ooit toetsbaar zou zijn”.
De Britse natuurkundige Stephen Hawking tijdens een moment van gewichtloosheid in een vliegtuig dat een paraboolmanoeuvre uitvoert, in 2007.
Zwarte gaten, de onzichtbare massaconcentraties waaraan zelfs licht niet kan ontsnappen, worden steeds beter zichtbaar. De detectie van zwaartekrachtgolven afkomstig van een botsing van zwarte gaten op 1,3 miljard lichtjaar afstand, laat zien dat twee botsende zwarte gaten die samensmelten tot één groter zwart gat, zich netjes houden aan een bekende stelling van astrofysicus Stephen Hawking.
„Ik vermoed dat Hawking in 1971, toen hij die stelling bewees, niet dacht dat die stelling ooit toetsbaar zou zijn”, zegt Chris van den Broeck, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit Utrecht en Nikhef in Amsterdam, een van de 2.070 (!) auteurs van een artikel in het natuurkundevakblad Physical Review Letters dat vandaag verschijnt.
Al deze onderzoekers maken deel uit van de LIGO-Virgo-Kagra-samenwerking, genoemd naar de drie operationele zwaartekrachtgolvendetectoren in de VS, Europa en Japan. Dat Hawkings zwartegatenoppervlaktestelling getest kan worden, is te danken aan die kolossale, extreem gevoelige meetapparaten. „De gevoeligheid van zwaartekrachtgolvendetectoren is de afgelopen tien jaar zo veel verbeterd, dat we nu de samensmeltende objecten zelf kunnen bestuderen”, zegt Van Den Broeck.
Zwarte gaten zijn de extreme massaconcentraties die kunnen ontstaan als zware sterren aan het eind van hun levensduur instorten. Hier en daar in het heelal cirkelen koppels zwarte gaten om elkaar heen, elkaar aantrekkend met hun zwaartekrachtsveld. In de loop van miljoenen jaren naderen ze elkaar steeds dichter, draaien ze steeds sneller om elkaar heen, tot ze in hun laatste seconden in een tollende mallemolen op elkaar klappen en samensmelten tot één zwaarder zwart gat.
Bij zo’n zogeheten inspiral worden krachtige zwaartekrachtgolven opgewekt: vervormingen van de ruimtetijd die zich door het heelal verspreiden als rimpelingen in een vijver. Als die zwaartekrachtgolven na miljoenen jaren aankomen bij de aarde, kunnen ze gedetecteerd worden door LIGO en andere detectoren.
Die bestaan uit kilometers lange vacuümbuizen waarin laserbundels heen en weer kaatsen tussen trillingsvrij opgehangen spiegels. Als er een zwaartekrachtgolf passeert, wiebelen die spiegels een fractie van een nanometer. LIGO kan die extreem kleine uitslag detecteren door minieme veranderingen van het laserlicht.
De botsing van twee zwarte gaten levert in de detector een specifiek patroon op dat chirp genoemd wordt: de detector laat steeds snellere en krachtiger golven zien, totdat het signaal piekt als de zwarte gaten samensmelten tot één zwart gat. Dat trilt nog wat na, waarbij het snel uitdovende zwaartekrachtgolven met vaste frequenties produceert, een beetje zoals de uitstervende tonen van een aangeslagen bel.
Op 14 september 2015, nu tien jaar geleden, werd op deze manier voor het eerst een inspiral waargenomen, waarmee zwaartekrachtgolven, en ook zwarte gaten, voor het eerst direct gedetecteerd werden. In 2017 ging de Nobelprijs voor de natuurkunde naar drie natuurkundigen die aan de basis van LIGO stonden: Kip Thorne, Barry Barish, en Rainer Weiss (die op 25 augustus dit jaar overleed).
Zo’n driehonderd van zulke detecties volgden, maar GW140125, de botsing die op 14 januari van dit jaar gedetecteerd werd door LIGO, was de duidelijkste tot nog toe. Van den Broeck: „Die leek behoorlijk op die allereerste detectie, maar het verschil is dat het signaal nu veel luider is. De signaal-ruisverhouding was toen 26, en nu is dat 80. Daarmee is dit het luidste signaal van een inspiral dat we hebben.”
Uit de details van de detectie viel af te leiden dat het om twee zwarte gaten ging van 33,6 en 32,2 zonsmassa’s, die samensmolten tot een zwart gat van 62,7 zonsmassa’s. Waar het koppel aan de hemel stond, is niet meer na te gaan.
Wel viel het oppervlak van de zwarte gaten te bepalen. Ieder zwart gat heeft een gebeurtenishorizon: een bolvormige grens waarbinnen niets – ook geen licht – meer aan het zwarte gat ontsnappen kan. Het oppervlak van deze gebeurtenishorizon, gemeten in vierkante kilometers, hangt af van de massa van het zwarte gat, en van de rotatiesnelheid.
„Hawkings oppervlaktewet zegt dat bij een botsing het totale oppervlak van de zwarte gaten niet kan afnemen”, zegt Van den Broeck, „dus als twee zwarte gaten samensmelten, moet het resulterende zwarte gat minstens het oppervlak hebben van de som van de twee oppervlakken die je eerder had.”
Hawking bewees dit op grond van Einsteins algemene relativiteitstheorie, en hield rekening met twee complicaties. De eerste is dat een deel van de massa’s van de samensmeltende zwarte gaten wordt omgezet in energie, die wordt uitgestraald in de vorm van zwaartekrachtgolven. Het resulterende zwarte gat is dus lichter dan zijn voorgangers samen. Een tweede complicatie is dat het gefuseerde zwarte gat ook sneller kan draaien dan zijn voorgangers, wat het oppervlak ook beïnvloedt.
Beide effecten speelden bij GW140125 een rol, maar Hawkings stelling bleef overeind: het totale oppervlak van de zwarte gaten aan het begin was ongeveer 240.000 vierkante kilometer, ongeveer het oppervlak van het Verenigd Koninkrijk, terwijl het gefuseerde zwarte gat een oppervlak had van 400.000 vierkante kilometer, iets meer dan het oppervlak van Duitsland.
Van den Broeck: „De waarschijnlijkheid dat de metingen overeenkomen met Hawkings oppervlaktewet is 99,999 procent. Eerdere detecties gaven maximaal 95 procent, wat voor natuurkundigen eigenlijk niet goed genoeg is.” Toekomstige detectoren, zoals de Einstein Telescope die mogelijk ondergronds bij Maastricht gebouwd wordt, kunnen eigenschappen van zwarte gaten nog strakker afgrenzen, belooft Van den Broeck.
Stephen Hawking zelf maakte de bevestiging van zijn wet niet meer mee. Meteen na de eerste detectie belde de aan een rolstoel gekluisterde theoretisch natuurkundige nog met collega Kip Thorne om te vragen of LIGO zijn wet kon toetsen. Hawking stierf in 2018.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
Source: NRC