Lichtstralen afkomstig van een ver sterrenstelsel kunnen rondjes rond een zwart gat draaien voor ze bij ons terechtkomen. In zo’n geval kun je het sterrenstelsel meerdere keren aan de hemel zien. Een Deense masterstudent heeft dit verschijnsel nu voor het eerst wiskundig beschreven.
Wanneer het licht van een sterrenstelsel langs een zwart gat beweegt, wordt het afgebogen. Uit de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein volgt namelijk dat zware objecten zoals zwarte gaten de ruimtetijd om zich heen vervormen. En lichtstralen volgen altijd het pad van de ruimtetijd.
Door die afbuiging zie je het sterrenstelsel op een andere plek aan de hemel dan het daadwerkelijk is. Je brein gaat er immers van uit dat het licht wel in een rechte lijn naar de aarde is gevlogen.
Wanneer het sterlicht vlak langs het zwarte gat scheert, kan er nog iets veel gekkers gebeuren. Het licht kan dan één of meerdere rondjes rond het zwarte gat draaien, waarna het alsnog naar ons toe beweegt. Afhankelijk van het aantal rondjes komen de lichtstralen onder verschillende hoeken op aarde terecht. Daardoor zie je hetzelfde sterrenstelsel op meerdere plekken aan de hemel, als een soort kosmisch droste-effect.
Er zijn relatief weinig lichtdeeltjes die dit soort omwegen maken. Daardoor zijn de extra beelden van de sterrenstelsels zwak – tot dusver te zwak voor onze telescopen om waar te nemen.
Draaiende zwarte gaten
Wel heeft de Deense masterstudent Albert Sneppen het verschijnsel nu voor het eerst in formules gevangen. Hij bewees dat de verschillende beelden van het sterrenstelsel vanaf de aarde gezien met een vaste factor steeds dichter bij het zwarte gat komen. Bij een niet-roterend zwart gat staat elk volgend beeld zo’n 500 keer dichter bij het zwarte gat dan het beeld ervoor – of, om precies te zijn, e2π keer. Deze factor was al uit simulaties bekend, maar Sneppen heeft hem nu ook wiskundig afgeleid.
In werkelijkheid heeft elk zwart gat wel een bepaalde draaiing. Uit Sneppens model volgt dat hoe sneller een zwart gat draait, hoe minder afstand er tussen de verschillende beelden zit. Daardoor zou je bij een sneldraaiend zwart gat meer beelden moeten kunnen onderscheiden. Bij een zwart gat dat langzaam draait, komen de beelden al gauw sterk uitgerekt over elkaar heen te liggen.
Terug in de tijd
‘Het heeft iets fantastisch moois om nu te begrijpen waarom de beelden zich op zo’n elegante manier herhalen’, zegt Sneppen in een persbericht. ‘Bovendien biedt dit nieuwe mogelijkheden om ons begrip van zwaartekracht en zwarte gaten op de proef te stellen.’
Als dit verschijnsel in de nabije toekomst gemeten kan worden, kunnen astronomen namelijk de precieze lichtafbuiging door een zwart gat bepalen. Dat geeft dan weer de mogelijkheid om Einsteins relativiteitstheorie te testen.
Ook zouden astronomen zo de ontwikkeling van een sterrenstelsel kunnen bestuderen. Want hoe meer rondjes de lichtstralen rond het zwarte gat hebben gedraaid, hoe langer ze erover hebben gedaan om op aarde terecht te komen. Daardoor kijk je bij elk volgend beeld iets verder terug in de tijd. Als er dus in zo’n achterliggend sterrenstelsel toevallig net een supernova-explosie plaatsvindt, zou je die explosie in verschillende fases kunnen bestuderen.
