Laat de EHT foto van M87* ons een gravitomagnetische monopool zien?

De eerste foto van een zwart gat, M87*, gemaakt met de EHT. (c) EHT Collaboration.

We kennen allemaal de iconische foto van M87*, het superzware zwarte gat in het centrum van het elliptische sterrenstelsel M87, gefotografeerd met de Event Horizon Telescope. De veronderstelling die iedereen maakt is dat de foto de schaduw van een zwart gat laat zien, een roterend zwart gat welteverstaan, een zogeheten Kerr zwart gat. Maar is het wel zo’n zwart gat wat we op de foto zien?

Chandrachur Chakraborty, Qingjuan Yu (Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics, Peking University), Masoumeh Ghasemi-Nodehi en Youjun Lu (National Astronomical Observatories of China) trokken de stoute schoenen aan en probeerden met een alternatief te komen. En voìla dat deden ze: de foto zou ook een gravitomagnetische monopool kúnnen laten zien. Ehhhhh… een wat? Yep, een gravitomagnetische monopool, ook wel een NUT parameter genoemd. Over monopolen hebben we het hier vaker gehad. In de natuurkunde is een magnetische monopool een hypothetisch elementair deeltje dat één magnetische pool (een monopool) bevat – slechts een noord- of een zuidpool, niet allebei. Dat lukt je niet bij een magneet: die heeft een noord en een zuidpool en als je ‘m in tweeën splijt krijg je twee magneten, elk ook met een noord- en een zuidpool. Elektrische lading komt wel gescheiden in de natuur voor, elektronen hebben een negatieve lading, protonen een positieve lading – en zoiets zouden monopolen ook moeten hebben. Hun bestaan wordt voorspeld door diverse kosmologische en natuurkundige theorieën, maar pogingen om ze te vinden zijn tot nog toe tevergeefs gebleken. Het viertal onderzoekers beschouwt massa analoog aan elektrische lading en daarom noemen zij massa een gravitomagnetische lading. De volgende vraag is dan: komen gravitomagnetische lading of gravitomagnetische monopolen voor in de natuur? En dan monopolen niet als elementaire deeltjes, maar als objecten met een grote massa. Chakraborty en zijn collega’s denken dat dat inderdaad het geval is en dat de foto van M87* mogelijk zo’n object laat zien, eentje met een zogeheten Kerr-Taub-NUT metriek.

Verschillende vormen van de schaduw met wisselende spin (a*) en NUT (n*) parameters voor een Kerr-Taub-NUT zwart gat. Credit: DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09696-3

Door verder precisieonderzoek aan de circulariteit van de schaduw van M87* zou bevestigd of uitgesloten kunnen worden of het inderdaad gaat om een gravitomagnetische monopool of om een ‘gewoon’ Kerr zwart gat. Hier het vakartikel over de gravitomagnetische monopolen, verschenen in The European Physical Journal C (2021). Bron: Phys.org.

M87* is een Kerr zwart gat en dat geeft ‘m best wel bijzondere eigenschappen

Eerste foto van zwart gat, M87*. (c) EHT Collaboration.

Het 6,5 miljard zonsmassa wegende zwarte gat M87*, te vinden in het centrum van het enorme elliptische stelsel M87 in het midden van de Virgocluster van sterrenstelsels, waarvan we op 10 april voor het eerst de foto zagen, is een Kerr zwart gat. Dat wil zeggen dat de geometrie van het zwarte gat beschreven wordt door de Kerr Metriek, welke in 1963 voor het eerst beschreven werd door de Nieuw-Zeelandse wiskundige Roy Kerr. De basis voor de theorie van zwarte gaten is in 1915 gelegd met Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie. Op basis van de eerste exacte oplossing van de vergelijkingen van de ART, enkele maanden later gedaan door Karl Schwarzschild, kon men al het bestaan voorstellen van zwarte gaten, objecten wiens zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet kan ontsnappen. Schwarzschild z’n zwart gat was echter statisch en sferisch, niet roterend. Het was Kerr die in 1963 voor het eerst de exacte oplossing van de ART voor roterende zwarte gaten bedacht.

Credit: MATT VISSER, ARXIV:0706.0622

 

In de ART is de relatie tussen massa en ruimte cruciaal – zwaartekracht is feitelijk een consequentie van de invloed die massa op de ruimte heeft. De berekening van de metriek is daarom van groot belang voor de oplossing van de veldvergelijkingen uit Einstein’s ART. De metriek is  simpel gezegd de maat die het interval tussen twee gebeurtenissen in de ruimtetijd specificeert. Het zwarte gat dat volgt uit Schwarszchild z’n oplossing is simpel, die heeft een bolvormige waarnemingshorizon, met een straal die afhangt van de massa in de singulariteit in het midden – de zogeheten Schwarzschildstraal. Kerr’s oplossing is een stuk ingewikkelder, zoals je aan de figuur hierboven ziet, hetgeen de geometrie beschrijft van een roterend zwart gat. Laten we die geometrie eens bekijken:

  • Wat ten eerste opvalt is dat Kerr zwarte gaten niet één waarnemingshorizon hebben, maar twee, een binnenste en buitenste waarnemingshorizon (inner and ouder event horizon).
  • Buiten de buitenste waarnemingshorizon is er een gebied dat de ergosfeer heet. Daar wordt de ruimte zelf met de snelheid van het licht rondom het zwarte gat geslingerd – je leest het goed, niet deeltjes die daar om het zwarte gat heen bewegen, maar de ruimte zelf. 😀 Dat wordt ook wel het Lense-Thirring effect of frame-dragging genoemd.
  • Tenslotte de singulariteit zelf, de plek waar alle massa van het zwarte gat zit: in een Kerr-zwart gat is die singulariteit geen punt, maar een ééndimensionale ring.

Door de wet van behoud van impulsmoment lijkt het erop dat álle zwarte gaten in het heelal Kerr zwarte gaten zijn. Alle voorgangers van zwarte gaten hebben impulsmoment, of het nou zware sterren, neutronensterren of andere zwarte gaten zijn, dus met die behoudswet lijken statische Schwarzschild-zwarte gaten alleen hypothetisch te kunnen bestaan. En dat maakt de oplossing die Kerr in 1963 bedacht, al weer 56 jaar geleden, een heel bijzondere. Roy Kerr is inmiddels 84 jaar en onlangs nog benoemt tot lid van de Britse Royal Astronomical Society, een benoeming die we kunnen scharen onder de noemer van ‘beter laat dan nooit’. Bron: Starts with a Bang.