Zwaartekracht heeft een 'boventoon': eerste meting van niet-lineair gedrag na botsing zwarte gaten
Als twee zwarte gaten met elkaar botsen, ontstaat er niet zomaar een nieuw zwart gat. Het nieuwe object trilt eerst nog even na, zoals een gong die blijft doortrillen nadat je erop hebt geslagen. Die trilling zendt rimpelingen in de ruimtetijd uit: zwaartekrachtsgolven. Voor het eerst hebben onderzoekers in zo'n nagalm een heel subtiel effect gemeten dat Einstein al voorspelde, maar dat nog nooit direct was aangetoond.
Het gaat om de waarneming GW250114, het signaal van twee versmeltende zwarte gaten dat door detectoren op aarde werd opgevangen. Die nagalm van een pas gevormd zwart gat bestaat uit verschillende trillingspatronen, vergelijkbaar met de boventonen van een muziekinstrument. Wetenschappers noemen deze patronen 'quasi-normale modes'.
Normaal gesproken gedragen deze trillingen zich lineair: ze gedragen zich netjes, los van elkaar. Maar Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt dat er ook een klein extra effect moet zijn, waarbij twee basistrillingen samen een derde, nieuwe trilling opwekken. Dat heet een kwadratische trilling, omdat de sterkte ervan afhangt van het product van de sterktes van de twee originele trillingen.
Wat de onderzoekers precies vonden
Het onderzoeksteam gebruikte een statistische methode (Bayesiaanse inferentie, een manier om met kansberekening de meest waarschijnlijke verklaring bij data te vinden) om drie soorten trillingen in het GW250114-signaal te analyseren. Twee daarvan waren de bekende basistrillingen, de derde was de voorspelde kwadratische trilling die ontstaat uit de andere twee samen.
De onderzoekers konden de sterkte van deze koppeling tussen de trillingen meten. Die gemeten waarde komt goed overeen met wat berekeningen op basis van de algemene relativiteitstheorie voorspellen. Het verschil tussen meting en voorspelling is nergens groter dan 1,3 sigma, een maat voor onzekerheid. Ter vergelijking: pas bij verschillen vanaf ongeveer 5 sigma spreken natuurkundigen van een zekere, nieuwe ontdekking. Een verschil van 1,3 sigma betekent dus dat de meting goed past bij wat werd verwacht.
Wat betekent dit (nog) niet: De huidige meting is niet precies genoeg om onderscheid te maken tussen verschillende voorspellingen die afhangen van hoe snel het nieuwe zwarte gat draait. De onderzoekers noemen dit zelf een eerste stap: de meting legt een basis voor strengere toekomstige tests, maar bevestigt nog niet welke exacte versie van de theorie klopt. Ook is dit gebaseerd op één waarneming; herhaling met andere botsingen is nodig om het effect steviger te bevestigen.
Waarom is dit toch belangrijk? Deze niet-lineaire trilling is een direct gevolg van hoe zwaartekracht zich gedraagt in extreme omstandigheden, vlak na de vorming van een zwart gat. Het meten ervan is een nieuwe manier om Einsteins theorie op de proef te stellen, in een omgeving waar de zwaartekracht extreem sterk is. Elke keer dat metingen zo goed overeenkomen met de voorspelling, wordt het vertrouwen in de algemene relativiteitstheorie sterker, ook onder de meest extreme omstandigheden in het heelal.
Bron: Constraining the Quadratic-mode Amplitude Coupling in GW250114