De tijd weggezogen; Compacte hemellichamen sleuren tijd en ruimte mee

Volgens de Algemene Relativiteitstheorie van Einstein sleurt een supersnel draaiend zwart gat ruimte en tijd met zich mee. Recente waarnemingen lijken ook deze voorspelling te bevestigen.

AMERIKAANSE en Italiaanse astronomen zeggen extreem compacte hemellichamen te hebben gesignaleerd die de ruimte en tijd om zich heen niet alleen vervormen, maar als gevolg van hun supersnelle rotatie ook meesleuren. Dit bizarre verschijnsel, frame dragging genoemd, zou zijn afgeleid uit waarnemingen van NASA's Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE), een satelliet die heel snelle variaties in zwakke röntgenstraling kan registreren. Met deze ontdekking zou opnieuw een van de vele voorspellingen van de Algemene Relativiteitstheorie zijn bevestigd.

Volgens de klassieke gravitatietheorie van Newton is de zwaartekracht op geen enkele manier afhankelijk van de beweging van de materie die deze kracht veroorzaakt. Het gravitatieveld van een draaiende bol is identiek aan dat van een stilstaande bol van dezelfde massa. Maar in de algemene relativiteitstheorie gaat die vlieger niet op. Volgens deze theorie worden ruimte en tijd niet alleen door een draaiende massa vervormd, maar ook in cirkelvormige banen meegesleurd. Net zoals een elektrische lading om zich heen een elektrisch veld creëert en, als de lading beweegt, ook nog eens een magnetisch veld, wekt draaiende massa een statisch zwaartekrachtsveld op met daar bovenop een extra gravito-magnetisch veld. Het gevolg is dat bijvoorbeeld de as van een gyroscoop in zo'n meecirkelend veld een precessiebeweging zal maken.

Het bestaan van dit meesleepeffect werd voor het eerst in 1918 uit de algemene relativiteitstheorie afgeleid door de Oostenrijkse natuurkundigen Joseph Lense en Hans Thirring en in 1964 uitvoerig beschreven door de Nieuw-Zeelandse wiskundige Roy Kerr. Bij gewone hemellichamen als planeten en sterren is het effect vrijwel onmeetbaar klein: vlak bij de aarde zou de as van een gyroscoop zich in een jaar over een hoekje van slechts één tiende boogseconde verplaatsen. Onderzoekers van de universiteit van Rome melden in een komend nummer van Classical and Quantum Gravity dit effect te hebben gesignaleerd in de banen van enkele geodetische satellieten, maar daar staan sommigen skeptisch tegenover.

Bij exotische objecten als zwarte gaten ligt dat anders. Zwarte gaten zijn gebiedjes van een paar kilometer diameter en met een massa van vele malen die van de zon. Hun gravitatieveld is zo sterk dat er niets uit kan ontnappen, zelfs geen licht. Daardoor zijn zulke objecten onzichtbaar en verraden zij zich alleen via hun aantrekkingskracht. Zwarte gaten kunnen heel snel om hun as draaien. Ze ontstaan wanneer zeer zware sterren aan het einde van hun bestaan onder invloed van hun zwaartekracht ineenstorten en daarbij neemt de aswenteling, als gevolg van het behoud van impulsmoment, enorm toe.

Sommige zwarte gaten zijn omringd door een accretieschijf, bestaande uit gassen die van een begeleidende ster worden weggetrokken. Vanuit deze schijf spiraliseert het gas naar en in het zwarte gat, waarbij het zo sterk wordt verhit dat het ook röntgenstraling uitzendt. De eigenschappen van deze straling zijn van cruciaal belang voor het onderzoek naar de rotatie van zwarte gaten.

PRECESSIEBEWEGING

Een groep Amerikaanse onderzoekers, geleid door Wei Chu van het Massachusetts Institute of Technology, had eerder dit jaar laten zien hoe uit het röntgenspectrum van sommige dubbelsterren de aanwezigheid van een zeer snel roterend zwart gat kan worden afgeleid. In één zo'n systeem, GRS 1915+105, zou zich een zwart gat met een massa van 30 zonsmassa's bevinden waarvan de 'grens' of 'waarnemingshorizon' met bijna de lichtsnelheid ronddraait. De onderzoekers berekenden hoe de gasschijf rond dit object zich onder invloed van het Lense-Thirringeffect zou moeten gedragen en vonden dat de schijf een precessiebeweging met een frequentie van 67 Hz zou moeten vertonen.

Opmerkelijk is dat deze frequentie precies blijkt overeen te komen met de variaties in de intensiteit van de röntgenstraling die andere onderzoekers eerder hadden gemeten. Dit zou er op kunnen wijzen dat deze variaties het gevolg zijn van het voorspelde 'meeslepen' van ruimte en tijd. De ontdekking werd bekendgemaakt tijdens een bijeenkomst van de afdeling High Energy Astrophysics van de American Astronomical Society die op 6 november werd gehouden in Estes Park, Colorado. Op deze bijeenkomst maakten twee Italiaanse astronomen, Luigi Stella en Mario Vietri, bekend hetzelfde verschijnsel al iets eerder te hebben waargenomen bij neutronensterren, objecten die wat minder compact zijn dan zwarte gaten en ook wat minder snel om hun as draaien. Ook deze onderzoekers gebruikten metingen die waren verricht met de satelliet RXTE. In feite waren het de geruchten over deze mogelijke ontdekking die de Amerikaanse onderzoekers er toe brachten het effect te gaan zoeken bij zwarte gaten.