De tolbeweging van planeten, sterren en zwarte gaten heeft invloed op de manier waarop ze door de ruimte bewegen. Dat geldt nog sterker als de zwaartekracht in het spel komt. Een nieuwe analyse maakt het mogelijk zulke effecten nauwkeurig uit te rekenen. Zo wordt het bijvoorbeeld mogelijk zwaartekrachtsgolven van tollende sterren die rond een zwart gat draaien te voorspellen. De methode wordt beschreven in een artikel van theoretisch natuurkundigen van het Nikhef en de Universiteit Leiden dat deze maand verschenen is in Physical Review D.
De meeste objecten in het heelal zoals planeten, sterren, zwarte gaten en zelfs hele sterrenstelsels draaien om een as. Deze tolbeweging staat bekend als spin. De spin is ook van invloed op de voorwaartse beweging. Einstein’s algemene relativiteitstheorie beschrijft de zwaartekracht als het effect van de kromming van ruimte en tijd. Die kromming heeft gevolgen voor zowel de voorwaartse als de tolbeweging. Omgekeerd beïnvloedt de spin ook de kromming, en dus de zwaartekracht, rond het draaiende object.
In het artikel geven de onderzoekers een nieuwe wiskundige beschrijving van de wisselwerking tussen spin en zwaartekracht. Ook worden er voorbeelden besproken. Eén daarvan is de beweging van een tollend object zoals een neutronenster rond een zwart gat. Een reusachtig zwart gat van bijna vier miljoen zonsmassa’s bevindt zich bijvoorbeeld in het centrum van de Melkweg; in andere sterrenstelsels komen nog grotere zwarte gaten voor. Einstein liet zien dat het punt van de baan waarop de ster de kleinste afstand tot het zwarte gat heeft iedere omloop verschuift. Wanneer de ster voldoende snel tolt kan volgens de nieuwe analyse ook de afstand van dichtste benadering zelf iedere omloop variëren; dit is te zien in bovenstaande figuur. Voorts is de afstand van waaraf de ster uit zijn baan naar het zwarte gat toe begint te vallen afhankelijk van de spin. Beide effecten spelen een rol bij de berekening van zwaartekrachtsgolven die van de ster en het zwarte gat te verwachten zijn. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA is begonnen met voorbereidingen voor de lancering van een drietal satellieten, het eLISA programma, waarmee zulke golven op den duur gemeten kunnen worden.
Bijschrift figuur bovenaan de pagina: De afstand van een tollende ster tot een massief zwart gat varieert tijdens de omloop. Zonder spin zou de variatie periodiek hetzelfde zijn, de spin van de ster maakt de variatie onregelmatig.
Meer informatie
Auteurs: G. d’Ambrosi (Nikhef), S. Satish Kumar (Univ. Leiden), J. van de Vis (Nikhef) en J.W. van Holten (Nikhef and Univ. Leiden)
Link naar artikel in Physical Review D: Spinning bodies in curved spacetime
Link naar arXiv.org
Voor vragen en meer informatie kunt u contact opnemen met prof. Jan-Willem van Holten, email.