Kosmologisch raadsel na 25 jaar opgelost? "Zwarte gaten in zwaartekrachttheorie van Albert Einstein zijn de donkere energie"

In 1998 werd ontdekt dat de expansie van het universum aan het versnellen is - alles verwijdert zich van alles anders aan een sneller en sneller tempo. Dat was onverwacht en moeilijk te verklaren - de aantrekking van de zwaartekracht tussen alle objecten in het universum zou de expansie net moeten vertragen. 

Om dit te verklaren, werd een 'donkere energie' voorgesteld die er verantwoordelijk voor was dat de dingen uit elkaar geduwd werden en die krachtiger was dan de zwaartekracht. Dat was gelinkt aan een concept dat Einstein had voorgesteld maar later verworpen had - een 'kosmologische constante' die inging tegen de zwaartekracht en die ervoor zorgde dat het universum niet in elkaar zou storten.

Dit concept van Einstein werd nieuw leven ingeblazen met de ontdekking van de versnellende uitdijing van het universum, in de vorm van donkere energie, met als belangrijkste component een soort van energie die in de ruimtetijd zelf zit, vacuümenergie.  

Die donkere energie zou zo'n 70 procent (er zijn licht uiteenlopende schattingen en berekeningen) van alle energie in het universum uitmaken en een probleem is wel dat we ze tot nu toe nergens gevonden hebben. Kosmologen hebben er geen verklaring voor. 

Een ander probleem vormen zwarte gaten: het is moeilijk om tegen hun extreem sterke zwaartekracht in te gaan, vooral in hun centrum waar alles lijkt in elkaar te stuiken in een fenomeen dat een singulariteit genoemd wordt. Ook die singulariteiten zijn weinig elegant: ze zijn immers een punt in de ruimtetijd waar de wetten van de fysica en wiskundige vergelijkingen niet meer opgaan. 

Zwarte gaten worden gevormd als zware sterren op het einde van hun leven komen. Als ze in het centrum van sterrenstelsels zitten, worden ze superzware zwarte gaten genoemd. Die superzware exemplaren hebben een massa van miljoenen tot miljarden keren de massa van onze zon in een relatief kleine ruimte, wat een extreem sterke zwaartekracht geeft. 

Zwarte gaten kunnen in grootte toenemen door wat de accretie van materie genoemd wordt, zoals het opslokken van sterren die te dicht in de buurt komen, of ze kunnen groter worden door samen te smelten met andere zwarte gaten. 

Of ze zouden 'kosmologisch gekoppeld' kunnen zijn aan de expansie van het universum, waarbij hun massa toeneemt naarmate het universum uitzet.   

Om na te gaan of er aanwijzingen waren voor die 'kosmologische koppeling', een fenomeen dat recent voorspeld werd in het kader van Einsteins theorie van de zwaartekracht, onderzocht een team van 17 onderzoekers uit 9 landen bestaande data die zich uitstrekken over 9 miljard jaar. 

Het team stond onder leiding van 2 wetenschappers van de University of Hawaiʻi at Mānoa, astrofysicus Duncan Farrah, de hoofdauteur van de 2 studies, en professor fysica en astronomie Kevin Croker. Het heeft recent twee studies gepubliceerd, waarin superzware zwarte gaten bestudeerd worden in het hart van oude en slapende sterrenstelsels. 

Uit de eerste studie blijkt dat deze zwarte gaten massa bijwinnen in de loop van miljarden jaren op een manier die niet makkelijk verklaard kan worden door de standaard processen zoals samensmeltingen of accretie van gas. 

De tweede studie komt tot de conclusie dat de toename in massa van deze zwarte gaten overeenkomt met de voorspellingen voor zwarte gaten die niet alleen kosmologisch gekoppeld zijn, maar ook vacuümenergie bevatten. Die is het resultaat van het zo hard mogelijk samendrukken van materie zonder Einsteins vergelijkingen geweld aan te doen, wat vermijdt dat er een singulariteit ontstaat.

Na het uitschakelen van de singulariteiten, toont de studie vervolgens aan dat de gecombineerde vacuümenergie van de zwarte gaten die geproduceerd werden door de dood van de eerste sterren in het universum, overeenstemt met de gemeten hoeveelheid donkere energie in het universum. 

"We zeggen twee dingen tegelijk: dat er aanwijzingen zijn dat de typische oplossingen voor zwarte gaten niet werken op een lange, lange tijdschaal en dat we de eerste voorgestelde astrofysische bron voor donkere energie hebben", zei Farrah. 

"Dat betekent niet dat andere mensen geen bronnen voor donkere energie hebben voorgesteld, maar dit is de eerste observationele studie waarin we niets nieuws toevoegen aan het universum als bron voor donkere energie: zwarte gaten in Einsteins theorie van de zwaartekracht zijn de donkere energie."

Als de nieuwe metingen bevestigd worden door verdere aanwijzingen of bewijzen, zullen ze ons begrip herdefiniëren van wat een zwart gat is. 

In de eerste studie bepaalde het team hoe het bestaande metingen van zwarte gaten kon gebruiken om te zoeken naar kosmologische koppeling. 

"Mijn interesse in dit project komt voort uit een algemene belangstelling voor het verkrijgen van observationele aanwijzingen die een model voor zwarte gaten ondersteunen dat werkt, onafgezien van hoelang je naar ze kijkt", zei Farrah. "Dat is in het algemeen een erg, erg moeilijk iets om te doen, omdat zwarte gaten ongelooflijk klein zijn, ongelooflijk moeilijk direct te observeren zijn en ver, ver weg staan."

Het is ook moeilijk om zwarte gaten te observeren over lange tijdschalen. Waarnemingen kunnen gedaan worden in enkele seconden of hoogstens in tientallen jaren - niet genoeg tijd om te zien hoe een zwart gat zou veranderen in de loop van een lange periode. Nagaan hoe zwarte gaten veranderen over een schaal van miljarden jaren is nog een grotere opgave. 

"Je zou een populatie van zwarte gaten moeten identificeren en de verdeling van hun massa moeten meten miljarden jaren geleden. Dan zou je dezelfde populatie of een eruit voortgekomen populatie vandaag moeten bekijken en opnieuw in staat moeten zijn om hun massa te meten", zei mede-auteur Gregory Tarlé, een fysicus aan de University of Michigan. "Dat is echt vreselijk moeilijk." 

Omdat sterrenstelsels een levensduur kunnen hebben van miljarden jaren en omdat de meeste sterrenstelsels een superzwaar zwart gat bevatten, besefte het team dat sterrenstelsels de sleutel vormden. Maar het was essentieel de juiste soorten sterrenstelsels te kiezen.

"Er waren veel verschillende metingen van de gedragingen van zwarte gaten in sterrenstelsels en er was absoluut geen consensus", zei mede-auteur Sara Petty, een expert op het vlak van sterrenstelsels bij NorthWest Research Associates. "We besloten dat door ons enkel te focussen op zwarte gaten in passief evoluerende elliptische reuzensterrenstelsels, we konden helpen dit op te lossen."  

De elliptische reuzensterrenstelsels zijn gigantisch, ze werden vroeg in de geschiedenis van het universum gevormd en ze zijn 'slapend' geworden. Slapende sterrenstelsels vormen nauwelijks nog nieuwe sterren en er zit weinig materiaal in dat het zwarte gat in hun centrum kan opnemen. 

Elliptische sterrenstelsels zijn een soort fossielen van de vorming van sterrenstelsels. Astronomen denken dat ze het eindresultaat zijn van botsingen tussen sterrenstelsels en ze zijn enorm groot met meer dan biljoenen oude sterren. 

"Deze sterrenstelsels zijn oud, vormen niet veel nieuwe sterren en er blijft erg weinig gas over tussen de sterren. Geen voedsel voor zwarte gaten", zei Tarlé. 

Door enkel te kijken naar elliptische sterrenstelsels zonder recente activiteit, kon het team betogen dat veranderingen in de massa van de zwarte gaten van de stelsels niet makkelijk verklaard zouden kunnen worden door de bekende, klassieke processen. 

Het team onderzocht hoe de massa van de centrale zwarte gaten in die populaties van sterrenstelsels veranderd was in de afgelopen 9 miljard jaar. 

Als de toename van de massa van de zwarte gaten enkel gebeurde door accretie of samensmeltingen, dan was het te verwachten dat de massa van deze zwarte gaten niet veel veranderd zou zijn. Maar als zwarte gaten massa bijwinnen door een koppeling aan het uitdijende universum, dan zouden deze passief evoluerende elliptische sterrenstelsels dit fenomeen kunnen blootleggen. 

De onderzoekers vergeleken waarnemingen van verafgelegen sterrenstelsels - toen die dus nog jong waren - met dichterbijgelegen elliptische sterrenstelsels - die oud en dood zijn. Ze stelden vast dat hoe verder ze in de tijd terugkeken, hoe kleiner de massa's van de zwarte gaten waren in vergelijking met hun huidige massa's. 

En de veranderingen waren groot: de zwarte gaten waren vandaag 7 tot 20 keer groter dan 9 miljard jaar geleden - groot genoeg om de onderzoekers te laten vermoeden dat kosmologische koppeling de oorzaak zou kunnen zijn.    

In de tweede studie onderzocht het team of de groei van de zwarte gaten die gemeten was in de eerste studie, verklaard kon worden door alleen maar de kosmologische koppeling. 

"Je kan een gekoppeld zwart gat bekijken als een elastiek, die mee wordt uitgerekt met het uitzettende universum", zei Croker. "Terwijl het uitgerekt wordt, neemt zijn energie toe. Einsteins E = mc2 vertelt ons dat massa en energie proportioneel zijn, dus de massa van het zwarte gat neemt ook toe."

Hoe veel de massa toeneemt, hangt af van de koppelingssterkte, een variabele die de onderzoekers k noemen. 

"Hoe stijver het elastiek is, hoe moeilijker het is om het uit te rekken, dus hoe meer energie als het uitgerekt is. Dat is in een notendop k", zei Croker. 

Omdat de toename van de massa van de zwarte gaten door de kosmologische koppeling afhankelijk is van de grootte van het universum en het universum in het verleden kleiner was, moeten de zwarte gaten uit het verleden in de eerste studie minder zwaar zijn en dat in de juiste mate, om de kosmologische koppeling als verklaring steek te laten houden.

Het team onderzocht 5 verschillende populaties van zwarte gaten in 3 verschillende verzamelingen van elliptische sterrenstelsels, uit een tijd toen het universum ruwweg half en een derde zo groot was als nu. Bij elke vergelijking kwamen de metingen uit op bijna +3.     

In 2019 was de waarde van bijna +3 voorspeld voor zwarte gaten die vacuümenergie bevatten in de plaats van een singulariteit, door Croker, toen nog een postdoctoraal student, en Joel Weiner, een wiskundeprofessor aan de University of Hawaiʻi at Mānoa. 

Die conclusie is verstrekkend: Croker en Weiner hadden al aangetoond dat als k 3 is, dat dan alle zwarte gaten in het universum collectief bijdragen aan een bijna constante densiteit aan donkere energie, net zoals de metingen van donkere energie suggereren. 

Zwarte gaten komen voort uit dode grote sterren, dus als je weet hoe veel grote sterren je aanmaakt, kan je schatten hoe veel zwarte gaten je produceert en hoe veel die aangroeien als gevolg van kosmologische koppeling. Het team gebruikte de allerlaatste metingen van de snelheid van de vorming van de vroegste sterren die de James Webb Space Telescope kon bieden en ontdekte dat die getallen overeenkwamen. 

Volgens de onderzoekers bieden hun studies een raamwerk voor theoretische natuurkundigen en astronomen - en voor de huidige generatie van experimenten rond donkere energie zoals het Dark Energy Spectroscopic Instrument en de Dark Energy Survey - om het idee verder te testen en er meer licht op te werpen. 

"Als het bevestigd wordt, zou dit een opmerkelijk resultaat zijn, dat de weg wijst naar de volgende generatie van oplossingen voor problemen rond zwarte gaten", zei Farrah. 

"Deze metingen, die verklaren waarom de uitdijing van het universum nu versnelt, geven ons een mooie kijk op de echte kracht van Einsteins zwaartekracht. Een koor van kleine stemmetjes verspreid doorheen het universum kan samenwerken om de hele kosmos aan te sturen. Hoe cool is dat?", voegde Croker er aan toe. 

Ook Tarlé is enthousiast. "Als de kosmologische koppeling bevestigd wordt, zou dat betekenen dat zwarte gaten nooit volledig losgekoppeld zijn van ons universum, dat ze een erg grote invloed blijven uitoefenen op de evolutie van het universum, tot in de verre toekomst", zei hij. 

"De vraag wat de aard is van donkere energie, is misschien de belangrijkste onbeantwoorde vraag in de hedendaagse fysica. Ze vormt de meerderheid, 70 procent van de energie van het universum. En nu hebben we eindelijk observationele aanwijzingen voor waar ze vandaan komt, waarom het 70 procent is en waarom ze hier nu is. Dat is erg opwindend", aldus Tarlé. 

Het model van de onderzoekers moet momenteel beschouwd worden als een opwindende hypothese, die experimenteel getest kan worden met meer onderzoeken van bestaande data, zeggen de onderzoekers. 

Gelukkig is er meer informatie en er zal er nog meer komen, die gebruikt kan worden om de theorie te valideren of te verwerpen, hoewel het waarschijnlijk is dat dit enkele jaren zal duren. Als de theorie bevestigd wordt, zal dat een belangrijke verandering in de kosmologie betekenen en de weg openen naar een revolutie in ons begrip van het universum, aldus de onderzoekers. 

De eerste studie van het team is gepubliceerd in The Astrophysical Journal, de tweede in The Astrophysical Journal Letters. Dit artikel is gebaseerd op persmededelingen van de University of Michigan, de University of Hawaiʻi at Mānoa en STFC RAL Space.