Wetenschappers hebben voor het eerst duidelijk bewijs gevonden van een ruimte-tijd-vortex, een fenomeen dat Einstein meer dan een eeuw geleden voorspelde, maar tot nu toe niet direct heeft waargenomen. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, laat zien dat zwarte gaten het weefsel van de ruimte-tijd zelf kunnen vervormen, waardoor materie in de buurt in een wankele beweging terechtkomt.

Dit effect staat bekend als Reims-Teering precessie of frame drag. Dit fenomeen doet zich voor wanneer een snel ronddraaiend zwart gat de omringende ruimte-tijd met zich meesleurt, net zoals een tol een draaikolk in water creëert. Het fenomeen komt voort uit de relativiteitstheorie van Einstein, die de zwaartekracht beschrijft als de kromming van de ruimte-tijd veroorzaakt door massa en energie, in plaats van een simpele trekkracht.

Een onderzoeksteam onder leiding van het National Astronomical Observatory of China en ondersteund door de Universiteit van Cardiff bestudeerde een getijdenverstoring genaamd AT2020afhd. Een getijdenverstoring vindt plaats wanneer een ster te dicht bij een zwart gat komt en de krachtige zwaartekracht het uit elkaar scheurt. In dit geval werd een ster vernietigd door een superzwaar zwart gat, dat miljoenen of miljarden keren massiever is dan de zon en zich doorgaans in het centrum van een sterrenstelsel bevindt. De overblijfselen van de ster vormen een accretieschijf, een roterende structuur van extreem heet gas en puin die onder invloed van de zwaartekracht naar binnen spiraalt. Tegelijkertijd worden krachtige stralen plasma en hoogenergetische deeltjes met bijna de snelheid van het licht naar buiten geworpen.

Door veranderingen in röntgen- en radiosignalen te volgen, merkten de onderzoekers dat de accretieschijf en de jet samen schommelden gedurende een cyclus van ongeveer 20 dagen. Röntgenstraling is hoogenergetische elektromagnetische straling die wordt geproduceerd door extreem heet materiaal in de buurt van zwarte gaten, terwijl radiosignalen langgolvige straling zijn die door astronomen wordt gebruikt om jets, magnetische velden en hoogenergetische deeltjes te bestuderen. Deze gesynchroniseerde beweging is precies wat de theorie voorspelt, maar is nog nooit eerder zo gedetailleerd bevestigd.

Co-auteur Dr. Cosimo Incella van de Universiteit van Cardiff legde uit dat de studie het meest overtuigende bewijs tot nu toe toont van de precessie van Reims-Teering, waarbij een zwart gat de ruimte-tijd voortsleept op dezelfde manier als een tol het omringende water zou kunnen voortslepen om een ​​draaikolk te vormen.

Het onderzoek voegt belangrijke wetenschappelijke context toe. Theorie en simulaties hebben al lang aangetoond dat de extreme kromming van de ruimtetijd nabij zwarte gaten de paden van licht en materie verbuigt, waardoor accretieschijf- en jet-precessie-effecten ontstaan ​​onder invloed van sterke relativistische krachten. Deze effecten worden significant wanneer de zwaartekracht sterk is of wanneer materie dichtbij de snelheid van het licht beweegt. Wat deze zaak bijzonder opmerkelijk maakt, is het duidelijke observationele bewijsmateriaal. Het onderzoeksteam rapporteerde een quasi-periodieke variatie van 19,6 dagen in röntgen- en radiosignalen, een zich herhalende maar niet geheel regelmatige cyclus waarin de amplituden van de röntgenstralen meer dan tien keer sterker zijn dan normaal. De vrijwel gelijktijdige veranderingen wijzen op een gemeenschappelijk mechanisme dat beide stralingsproducerende gebieden controleert.

Het accretie disk-jet Lance-Teering precessiemodel was in staat deze veranderingen te reproduceren, en de gegevens toonden aan dat het betrokken zwarte gat van het low-spin-type was, wat betekent dat het langzamer draaide dan de snel draaiende zwarte gaten voorspeld door veel relativistische modellen. De studie ontdekte ook radioveranderingen op korte termijn tijdens getijdenverstoringen, een fenomeen dat nog nooit eerder was gezien. De onderzoekers zeggen dat dit het belang onderstreept van hoogfrequente radiomonitoring, waarbij observaties vaak over korte tijdsintervallen worden herhaald, wat meer zou kunnen onthullen over hoe zwarte gaten hun omgeving vormgeven.

De ontdekking bevestigde een voorspelling van Albert Einstein uit 1913 en later wiskundig gedefinieerd door Joseph Lance en Hans Thiering in 1918. Het opent nieuwe mogelijkheden voor het bestuderen van de rotatie van zwarte gaten, de accretiefysica, die bestudeert hoe materie in massieve objecten valt en energie vrijgeeft, en jetvorming, het proces waarbij roterende materie en magnetische velden smalle stromen hoogenergetisch plasma de ruimte in lanceren. Voor wetenschappers is het een zeldzame kans om te observeren hoe de ruimte-tijd zelf wordt vervormd door een van de meest extreme objecten in het universum.