Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Nieuw model voorspelt ‘jojo’-banen rond zwarte gaten

Sterren springen op en neer terwijl ze rond zwarte gaten draaien. Dat voorspelt een theoretisch model ontwikkeld door Leids natuurkundige Satish Kumar Saravanan, op basis van Einsteins relativiteitstheorie. Op 7 juli verdedigt hij zijn proefschrift.

Er zijn maar een paar zekerheden in het leven. Eén daarvan is dat de zon altijd opkomt in het oosten en ondergaat in het westen. Toch zal dit niet altijd blijven gebeuren binnen een 24-uurs cyclus. Door wrijving vertraagt de rotatie van de Aarde elk jaar een beetje. De wet van behoud van impulsmoment stelt dat de Maan derhalve iets meer afstand van de Aarde moet nemen. Denk aan een ballerina: als ze haar armen spreidt, draait haar lichaam langzamer.

Einstein

We kunnen de mechanica achter het Aarde-Maan-systeem beschrijven met ‘Newtoniaanse’ natuurkunde. Als we ons begeven in wat extremer terrein, zoals dat van superzware zwarte gaten met de massa van een miljoen zonnen, hebben we Einsteins relativiteitstheorie nodig. Hemellichamen die daar omheen draaien bereiken snelheden nabij de lichtsnelheid en de hoge massa van het zwarte gat buigt de ruimte gigantisch. Dit leidt tot ‘relativistische’ effecten die Newtoniaanse fysica niet kan beschrijven. Natuurkundige Satish Kumar Saravanan heeft nu voor het eerst berekeningen uitgevoerd voor roterende objecten die rond zwarte gaten cirkelen op basis van een relativistische benadering in plaats van Newtoniaanse formules. Hij verdedigt op 7 juli zijn proefschrift tegenover zijn begeleider Jan-Willem van Holten.

Banen zwart gat

Tijdens zijn theoretische onderzoek ontdekte Satish verschillende soorten banen van een roterende ster rond een stilstaand zwart gat. In een scenario waarin de ster rond zijn as draait met variërende snelheid, blijft zijn baan veranderen (zie figuur 1). Dit zien we ook in de baan van Mercurius rond de Zon. Satish heeft nu ontdekt dat dit onregelmatige gedrag te wijten is aan relativistische effecten van het snel roterende hemellichaam.
In een realistischer scenario heeft de ster een precessie in zijn rotatie, net als de Aarde; zijn schuine as precesseert zoals een draaitol. Als gevolg daarvan beweegt de ster op en neer in zijn baan (zie figuur 2). Hetzelfde gebeurt in het geval van de Aarde, maar zijn snelheid en de massa van de Zon zijn zo laag dat dit effect verwaarloosbaar is. In 1916 voorspelde Willem de Sitter dit al voor de Maan, en Satish heeft nu hetzelfde effect gevonden in systemen met een roterende ster rond een zwart gat.

eLISA

Satish’ formules zullen van pas komen in 2034, wanneer het eLISA ruimte-instrument wordt gelanceerd in een baan rond de Zon om zwaartekrachtsgolven te meten van systemen met zwarte gaten. Hieruit gaan onderzoekers de banen afleiden van objecten eromheen, met gebruik van theoretische modellen zoals die van Satish. Omdat zwarte gaten niet direct waargenomen kunnen worden, is dit erg nuttig gereedschap voor wetenschappers.

Figuur 1: In een scenario waarin de ster rond zijn as draait met variërende snelheid, blijft zijn baan veranderen.


Figuur 2: In een realistischer scenario heeft de ster een precessie in zijn rotatie, net als de Aarde; zijn schuine as precesseert zoals een draaitol. Als gevolg daarvan beweegt de ster op en neer in zijn baan.