De zwaartekracht in sterrenstelsel ESO 325-G004 gedraagt zich zoals Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie voorspelt.

Dat concludeert een internationaal team van onderzoekers in het blad Science. Nog niet eerder hebben wetenschappers Einsteins ideeën over zwaartekracht zo nauwkeurig buiten ons zonnestelsel getoetst. En opnieuw blijken Einsteins ideeën dus stand te houden!

Einsteins ideeën
Einstein voorspelt in zijn algemene relativiteitstheorie dat objecten de hen omringende ruimtetijd vervormen, waardoor passerend licht wordt afgebogen. Het resulteert in een zwaartekrachtlenseffect (zie afbeelding hieronder).

Een schematische weergave van het zwaartekrachtlenseffect. Hierbij vervormt een sterrenstelsel op de voorgrond doordat het de omringende ruimtetijd vervormt ook het licht dat passeert en afkomstig is van dieper gelegen objecten. Het resulteert in meerdere afbeeldingen van het sterrenstelsel en een ring van licht, die ook wel Einsteinring wordt genoemd. Afbeelding: ALMA (ESO / NRAO / NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.

Dit effect zien we echter alleen goed als het object op de voorgrond een grote massa heeft. De afgelopen jaren zijn er heel wat van die objecten – ook wel zwaartekrachtlenzen genoemd – ontdekt. Maar de meeste staan heel ver weg. Het is dan ook lastig om de exacte massa van die zwaartekrachtlenzen vast te stellen. En die hebben de onderzoekers wel nodig om te achterhalen of Einsteins algemene relativiteitstheorie ook in andere sterrenstelsels opgaat, zo legt onderzoeker Thomas Collett uit. “De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat zware objecten de ruimtetijd vervormen, wat betekent dat wanneer er licht van een ander sterrenstelsel passeert, dat licht ook vervormd wordt. Als twee sterrenstelsels op één lijn liggen, is er sprake van een zwaartekrachtlenseffect, waarbij we meerdere afbeeldingen van het sterrenstelsel op de achtergrond zien. Als we de massa van het sterrenstelsel op de voorgrond weten, dan kan de ruimte tussen de meerdere afbeeldingen van het achtergrondstelsel ons vertellen of de algemene relativiteitstheorie ook op extragalactische schaal correct is.”

ESO 325-G004
Het mooie is dat ESO 325-G004 redelijk dichtbij staat. En daardoor lukte het de onderzoekers om de exacte massa van het object vast te stellen. “We hebben gegevens van de Very Large Telescope in Chili gebruikt om te meten hoe snel de sterren in ESO 325-G004 bewegen,” vertelt Collett. “Hieruit konden we afleiden hoeveel massa er in dit sterrenstelsel aanwezig moet zijn om deze sterren in hun omloopbanen te houden.” Daarnaast maten de onderzoekers ook de sterkste van het lenseffect. “Vervolgens hebben we deze twee manieren om de sterkte van de zwaartekracht te meten met elkaar vergeleken, en het resultaat was precies wat de algemene relativiteitstheorie voorspelt, met een onzekerheid van slechts 9 procent. Daarmee is dit de meest precieze test van de algemene relativiteitstheorie buiten de Melkweg tot nu toe. En dit met behulp van slechts één sterrenstelsel!”

Eerder testten onderzoekers de algemene relativiteitstheorie al uitgebreid in ons eigen zonnestelsel. Maar dit is de eerste nauwkeurige test op grotere astronomische schaal. En de theorie blijft dus ook op deze grotere schalen overeind. Daarmee worden alternatieve zwaartekrachttheorieën direct ontkracht. Deze theorieën voorspellen namelijk dat de effecten van de zwaartekracht op de kromming van ruimtetijd ‘schaalafhankelijk zijn’, wat betekent dat de zwaartekracht zich op extragalactische lengteschalen anders gedraagt dan op de kleine schaal van ons zonnestelsel. De nieuwe studie stelt dat die vlieger niet op gaat, tenzij de voorspelde verschillen alleen optreden op lengteschalen van meer dan 6000 lichtjaar. “Het is geweldig dat het heelal ons lenzen levert die we als laboratoria kunnen gebruiken,” vindt onderzoeker Bob Nichol. “Het is zo bevredigend om de beste telescopen ter wereld in te zetten om Einstein op de proef te stellen, en erachter te komen dat hij gelijk had.”