Advertentie
Motherboard

Gewoon twee zwarte gaten die elkaar aan stukken scheuren

Een diepgaand en bijna onmogelijk wiskundig probleem, gevisualiseerd op een mooi kleurrijk raster.

door Michael Byrne
08 december 2014, 12:33pm

Als we zwaartekracht écht willen begrijpen, moeten we het bestuderen in de meest extreme vorm. Een zwaartekrachtveld dat krachtig genoeg is, kan golven uitzenden die sterk genoeg zijn om hier op aarde te observeren. Helaas is zulk spierballenvertoon erg zeldzaam is. Zwaartekrachtsgolven verliezen kracht over afstand, precies zoals geluidsgolven dat doen.

Die golven mogen dan weliswaar erg zeldzaam zijn, maar wetenschappers hebben wel al uitgedacht waar we ze moeten zoeken. Voor de extreme omstandigheden moeten we ook zoek naar gebeurtenissen als melkwegbotsingen, en om elkaar draaiende neutronensterren. Voor de meest gestoorde verstoringen van ruimtetijd moeten we echter kijken naar zwarte gaten – kosmische fenomenen die ruimtetijd zelf aan stukken scheuren.

Zwarte gaten zijn zó extreem dat het moeilijk is om er oplosbare vergelijkingen voor op te stellen. Toch heeft een groep natuurkundigen van de Cornell University het voor elkaar gekregen om wiskundig te beschrijven hoe de gravitatielenseffecten bij een dubbel zwart gat werken: zwarte gaten die elkaar aan stukken trekken.

Afbeelding: Andy Bohn et al

Een groot probleem voor de wetenschappers, is dat ergens in de ingewanden van het zwarte gat altijd een singulariteit zit. Hier citeer ik Wikipedia maar even: "een singulariteit is in de kosmologie een punt met een oneindig klein volume en een oneindige grote dichtheid. De ruimte-tijd is hier zo sterk gekromd, dat ruimte en tijd feitelijk ophouden te bestaan. Dit heeft onder meer tot gevolg dat ook de in de gewone natuurkunde geldende wetten in een singulariteit niet meer geldig zijn." Hoe wil je zoiets in godsnaam wiskundig gaan oplossen?! En hoe kunnen we ooit de wiskundige afstand overbruggen tussen oneindig verdraaide ruimtetijd en de ongelooflijke zachte golven die aarde ooit zouden kunnen bereiken? Terwijl onderzoekers hun hersenen daarop stukrekenen, kunnen wij tenminste alvast genieten van de plaatjes.

Het team van Cornell University biedt geen allesomvattend antwoord; wél hebben ze nieuwe visualisaties (zelf zeggen ze de eerste daarmee te zijn) van hoe licht rondom een dubbel zwart gat zich gedraagt. Wat zou een toeschouwer zien als een stel zwarte gaten om elkaar circuleren, in elkaar verstrengeld raken, en uiteindelijk samenvoegen? Zoals je enigszins zou kunnen verwachten, is het resultaat geweldig.


"Dit staat in schril contrast tot de meeste BBH visualisaties, waarin de posities of horizons van de twee gaten als een simpele functie van tijd in een coördinatensysteem functioneren," schrijven de natuurkundigen. "In plaats daarvan, hebben wij besloten te berekenen welke wegen de lichtstralen afleggen die in een oog of camera van de observator terechtkomen, om op die manier uit te vogelen wat je zou zien."

Om het onmogelijke gevisualiseerd te krijgen, heeft het team van Cornell een raster in het blikveld gelegd, met de twee zwarte gaten er middenin. Ze hadden het onvoorstelbare aantal fotonen rond het dubbele zwarte gat kunnen plotten, maar in plaats daarvan visualiseren ze de fotonen die richting de horizon sjezen, als een soort van spiegel van het echte leven.

Afbeelding: Bohn et al


"Het zou bijzonder naïef zijn om alle mogelijke lichtstralen afkomstig van de lichtbron te traceren, alleen om uit te vogelen welke de camera bereiken en waar ze vandaan komen. Het is rekenkundig niet te doen," legt het team van Cornell University uit. "Een efficiëntere aanpak is om alles om te draaien, en het licht terug te volgen, weg van de camera en terug in de tijd."

Binnen de wereld van computergraphics bestaat er zelfs een term voor: ray casting. Simpel gezegd stel je een stroom van fotonen voor die uit je ogen of camera vliegen, richting de gebeurtenis. Uiteindelijk raakt elke foton iets en wordt gedeeltelijk geabsorbeerd en gedeeltelijk gereflecteerd, afhankelijk van de gegeven eigenschappen van het materiaal en de omgeving. Deze botsing krijgt een overeenkomstige specifieke waarde (in dit geval een kleur).

De grote winst bij het vuren van gesimuleerde fotonen vanaf de oog/lens richting de gebeurtenis, is dat er niets verspild wordt aan fotonen die het nooit tot aan de lens redden.

Naast dat het team van onderzoekers met een aantal onwijs gave afbeeldingen op de proppen kwam, hebben ze ook een echte conclusie weten te trekken uit het hele gebeuren. Namelijk dat dubbele zwarte gaten verdacht veel op normale enkelvoudige zwarte gaten lijken.

"Op een grote schaal lijken de zwaartekrachtlenseffecten bij verstrengelende zwarte gaten erg veel op die van normale zwarte gaten. Maar op kleinere schaal laten de visualisaties een complexe en in sommige gevallen ook zelf-gelijkende structuren vanuit verschillende gezichtspunten op verschillende schalen zien," schrijft het team.