Site pictogram Astroblogs

Als tijd ‘bevriest’ bij een zwart gat, hoe kan er dan toch materie in verdwijnen?

Credit: Geralt/Pixabay.

Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie (ART) heeft ons getoond dat de ruimtetijd beïnvloed wordt door massa, of zoals de natuurkundioge Wheeler het ooit stelde: “Matter tells spacetime how to curve. Spacetime tells matter how to move.” Vlakbij de waarnemingshorizon van een zwart gat, de straal waarbinnen de ontsnappingssnelheid groter wordt dan de lichtsnelheid en niets meer kan ontsnappen, zelfs licht niet, is de zwaartekracht zo sterk dat de tijd als het ware bevriest en niets meer lijkt te bewegen. Hoe kan er dan toch iets in een zwart gat vallen? Dat vroeg afgelopen woensdag iemand uit het publiek aan James Moran, de Harvard-sterrenkundige die toen in Leiden z’n Oortlezing over superzware zwarte gaten hield. Het antwoord is eenvoudig: er kan wel degelijk materie in een zwart gat vallen (of twee zwarte gaten die met elkaar botsen) en dat is niet in tegenspraak met de ART. Die stelt namelijk dat het gaat om de lokale tijd die gemeten wordt en die kan per waarnemer verschillen. Stel bijvoorbeeld dat een moedige ruimtevaarder op een dag besluit met zijn raket in een zwart gat te vallen en die reis wordt op veilige afstand bekeken door een waarnemer, beiden voorzien van een klok en beiden de tijd metend in hun eigen inertiaalstelsel, zoals dat heet.

Credit: NASA/ESA and G. Bacon (STScI)

De klok aan boord van de ruimtevaarder zal bij het naderen van het zwarte gat niet anders gaan lopen, een dag zal aan boord gewoon 24 uur duren en de raket zal de waarnemingshorizon gewoon kunnen passeren, bij een superzwaar zwart gat nog enige tijd zonder enige gevolgen, bij een klein zwart gat met een rampzalige ‘spaghetificatie’ voor raket en ruimtevaarder als gevolg. De waarnemer op veilige afstand tuurt met zijn telescoop naar de raket en de klok aan boord en die waarnemer zal zien dat naarmate de raket dichterbij de waarnemingshorizon komt de snelheid afneemt en zelfs 0 km/u wordt vlakbij de waarnemingshorizon. De klok van de waarnemer zelf gaat ook gewoon 24 uur per dag door, maar de klok van de ruimtevaarder vertraagd tot nul, gezien door de waarnemer. En dat maakt dat er wel degelijk dingen zoals sterren, planeten of moedige ruimtevaarders in een zwart gat kunnen vallen, maar dat het lijkt voor een waarnemer op veilige afstand dat er niets in kan vallen.

Impressie van de MICROSCOPE missie en het zwakke equivalantieprincipe. Credit: (c) ONERA

Eh… over de Relativiteitstheorie gesproken: recent is door een team van natuurkundigen het zwakke equivalentieprincipe getest, één van de hoekstenen van Einstein’s ART, en de uitkomst zal niet verrassen: het principe blijkt te voldoen aan de waarnemingen, de meest precieze die tot nu toe zijn uitgevoerd. Het zwakke equivalentieprincipe staat ook wel bekend als “de universaliteit van de vrije val” en we kunnen ‘m op twee manieren interpreteren:

Gooi dus op de maan, waar je geen last hebt van wind of luchtdruk, een veer van 1 gram en een hamer van 1 kilogram van gelijke hoogte naar beneden en beiden ondergaan dezelfde versnelling en komen dus gelijk aan op het maanoppervlak, zoals commandant David Scott tijdens de Apollo 15 missie op 30 juli 1971 op de maan liet zien:

Afijn, nu is dat principe dus getest en wel met de MICROSCOPE missie, waarbij men het principe testte door versnellingen van vrij vallende objecten in een satelliet in een baan om de aarde te meten. Het team van onderzoekers ontdekte dat de versnellingen van paren objecten met niet meer dan ongeveer één deel per 10^15 verschilden, waardoor schendingen van het zwakke-equivalentieprincipe tot op dat niveau van nauwkeurigheid uitgesloten zijn. Bij het experiment keken ze naar de zogeheten Eötvös-verhouding, die de versnellingen van twee vrij vallende objecten met elkaar in verband brengt. Daartoe keken ze nauwkeurig naar de versnellingen van de testmassa’s van platina en titaniumlegeringen in de MICROSCOPE satelliet, die om de aarde draait en die in 2016 was gelanceerd.

Hier het vakartikel over de test, verschenen in Physical Review Letters (2022). Bron: voor het vallen in een zwart gat Baez, voor de recente test Phys.org.

Mobiele versie afsluiten