Zwart gat

Zwarte gaten geven over

Niets wat de energiemuur van de waarnemingshorizon oversteekt, kan aan een zwart gat ontsnappen. Dat werd 5o jaar lang aangenomen. Maar misschien klopt dat niet. Zwarte gaten lijken niet alleen alles om zich heen op te slokken, ze spugen ook dingen uit.

Niets wat de energiemuur van de waarnemingshorizon oversteekt, kan aan een zwart gat ontsnappen. Dat werd 5o jaar lang aangenomen. Maar misschien klopt dat niet. Zwarte gaten lijken niet alleen alles om zich heen op te slokken, ze spugen ook dingen uit.

Shutterstock

Wat gebeurt er als je in een zwart gat valt? Je zult sterven, dat is zeker – maar hoe? Word je uitgerekt tot een spaghettisliert en deeltje voor deeltje opgeslokt? Spuugt het zwarte gat een deel van jou uit tijdens de maaltijd? Of gebeurt er iets anders?

Een van de meest raadselachtige verschijnselen van het heelal houdt wetenschappers al een eeuw bezig en heeft geleid tot controverses tussen wereldberoemde natuurkundigen als Albert Einstein, Niels Bohr en Stephen Hawking.

Nu heeft de vraag wat er gebeurt aan de rand van een zwarte gat, de waarnemingshorizon, een nieuwe impuls gekregen. Een mogelijke oplossing komt van natuurkundigen van onder meer Princeton University en de University of California, Santa Barbara.

De firewall-theorie gaat ervan uit dat alles wat een zwart gat nadert, bij de waarnemingshorizon op een muur van energie stuit.

Onderzoekers zijn erin geslaagd de kloof tussen Einsteins relativiteitstheorie en Hawkings punten over kwantummechanica te overbruggen door te kijken naar theorieën over wormgaten en de manier waarop deeltjes in zwarte gaten verstrengeld kunnen raken met deeltjes erbuiten.

De theorie bouwt voort op de zogeheten firewall-theorie uit 2012, die stelt dat alles wat een zwart gat nadert, bij de waarnemingshorizon op een muur van energie stuit. Hier zal een onzichtbare concentratie van deeltjes een mens of ruimteschip ‘verbranden’ tot as. Maar die theorie had grote tekortkomingen, dus hebben wetenschappers haar nu aangepast.

Theorie van Alles ontbreekt nog

Afdalen in een zwart gat is misschien een ver-van-mijn-bedshow, maar niet voor natuurkundigen. Door hun extreme aard vormen zwarte gaten het strijdtoneel bij uitstek tussen de twee dominante stromingen in de natuurkunde: de relativiteitstheorie en de kwantummechanica. Natuurkundigen proberen die al zo’n 100 jaar met elkaar te verenigen.

Daarvoor kijken ze veel naar paradoxen, want die zijn er te over als je de beginselen van de kwantummechanica én de relativiteitstheorie recht wilt doen. Oplossingen daarvoor zijn niet onomstreden, want wetenschappers moeten allerlei theorieën – onder meer over wormgaten – introduceren om het geheel kloppend te krijgen.

Albert Einsteins relativiteitstheorie stelt dat zwarte gaten zo extreem zijn dat ze met hun oneindig hoge massadichtheid niets kunnen laten ontsnappen, zelfs geen licht. Maar in 1974 opperde Stephen Hawking dat zwarte gaten niet álles verzwelgen, maar kwantumdeeltjes uitspugen. Die theorie wordt nu algemeen aanvaard, en de ontsnapte deeltjes worden Hawkingstraling genoemd

Een student van Hawking, de natuurkundige Don Page, toonde aan dat de deeltjes die het zwarte gat verlaten, verstrengeld moeten zijn. Er is dus een verband tussen de Hawkingstraling die het zwarte gat heeft verlaten en het deel dat door het zwarte gat is opgeslokt.

Einstein creëerde de speciale en algemene relativiteitstheorie in 1905 en 1915 en is een van de vroege hoofdpersonen van de zwartegatentheorie. Parallel daaraan ontwikkelden natuurkundigen als Niels Bohr en Erwin Schrödinger de kwantummechanica. De twee theorieën gingen de natuurkunde domineren, maar elk op hun eigen manier.

Een van Einsteins grote inzichten met de algemene relativiteit was dat de massa van planeten en sterren de ruimtetijd kromt, zoals wanneer je een bowlingbal op een uitgestrekt laken legt en er in het midden een kuil ontstaat. Dit ervaren wij als zwaartekracht.

De kwantummechanica beschrijft de kleinste bestanddelen in de wereld, zoals atoomkernen, fotonen en elektronen. Die gedragen zich veel mysterieuzer dan zelfs de creatiefste natuurkundige zich kan voorstellen.

Een voorbeeld is superpositie, waarbij deeltjes zich op twee plaatsen tegelijk bevinden. Twee deeltjes kunnen ook een soort spiegelbeeld van elkaar zijn, al zijn ze fysiek gescheiden door enorme kosmische afstanden – dan zijn ze verstrengeld.

Einstein en Hawking

Albert Einstein (l) en Stephen Hawking hebben met circa 70 jaar ertussen elk een theorie over zwarte gaten bedacht. Bij gebrek aan een Theorie van Alles worden beide theorieën uit de theoretische natuurkunde nog altijd gebruikt.

© F Schmutzer & Geoffrey Robinson/Shutterstock/Ritzau Scanpix

Sinds de jaren 1920 doen natuurkundigen hun best om de relativiteitstheorie en de kwantummechanica samen te brengen in één allesomvattende theorie van de kwantumzwaartekracht, in plaats van in twee theorieën die ieder voor zich werken. Hoewel Einstein een grote bijdrage heeft geleverd aan de ontwikkeling van de kwantummechanica, was hij sceptisch over eigenschappen van de kwantummechanica die onlogisch lijken – waaronder verstrengeling, die hij maar ‘spookachtig’ vond.

Wormgaten lossen iets op

In de 20e eeuw vormden zwarte gaten de frontlinie tussen relativiteitstheorie en kwantummechanica. De mysterieuze kosmische verschijnselen drijven zowel de zwaartekracht als de kwantummechanica tot het uiterste.

Stephen Hawkings black hole information paradox uit 1974 werd hierbij een belangrijke mijlpaal. Daarin onderzoekt Hawking verstrengelde ‘deeltjesparen,’ dus deeltjes die, ondanks de fysieke afstand, met elkaar verbonden zijn op het point of no return van een zwart gat, ook wel bekend als de waarnemingshorizon.

De kwantummechanische deeltjesparen staan dus met ‘één been’ aan weerszijden van de waarnemingshorizon. De twee deeltjes zijn losgerukt: het ene wordt opgeslokt door het zwarte gat, het andere ontsnapt als zogeheten hawkingstraling.

Vandaar de paradox, want volgens de kwantummechanica ‘verdampt’ het zwarte gat uiteindelijk, waarbij het ontsnapte deeltje achterblijft in kwantummechanische verstrengeling met – niets.

VIDEO: Laat je uitleggen wat de singulariteit met ons doet in een zwart gat

Maar Einstein en Hawking – en dus relativiteitstheorie en kwantummechanica – zijn nu nader tot elkaar gebracht. Een wormgat, dat je kunt zien als een tunnel tussen twee objecten in het heelal (zoals zwarte gaten), is niet in strijd met de relativiteitstheorie. En de afgelopen jaren is ontdekt dat kwantumverstrengeling en wormgaten misschien wel één en hetzelfde verschijnsel zijn, alleen beschreven door twee verschillende theorieën.

Firewall-theorie is een indicatie

Ook het idee van een firewall heeft wetenschappers verder geholpen. Dat vindt theoretisch natuurkundige Ahmed Almheiri, een van de onderzoekers achter de firewall-paradox, die werkt aan het Princeton Institute for Advanced Study, waar ook Albert Einstein onderzoek deed in 1933-1955.

‘De firewall-paradox stelt dat een deeltje aan de buitenkant van de waarnemingshorizon alleen verstrengeld kan zijn met een deeltje ver in de straling (van het zwarte gat, red.), maar ook alleen verstrengeld kan zijn met zijn partner in het zwarte gat,’ zegt Ahmed Almheiri over de theorie, die hij in 2012 met collega’s formuleerde.

‘De firewall-paradox is een indicatie van ons gebrek aan kennis over de ware aard van zwarte gaten. Ons laatste onderzoek duidt erop dat de aard van de ruimtetijd zelf – en wat dicht bij wat is – sterk afhankelijk is van de verstrengeling tussen delen van de ruimtetijd. Zo is het binnenste van het zwarte gat in zekere zin “dicht” bij de straling die ver weg van het zwarte gat is,’ aldus Almheiri.

© Mark Garlick/SPL

Wormgaten zijn de tunnels van het heelal

Uit Einsteins relativiteitstheorie komt de theorie van wormgaten voort, zwarte gaten die tunnels creëren naar een andere plek in het heelal of zelfs naar een ander heelal.

Tunnel snijdt stukje af

Volgens Einstein steken wormgaten een eindje af door de vierdimensionale ruimtetijd, waarbij twee gebieden van het heelal met elkaar worden verbonden. De groene pijl geeft de weg aan die een ruimteschip normaal door de ruimte zou moeten afleggen.

Wormgaten kunnen verstrengeling verklaren

Volgens de kwantummechanica kunnen zwarte gaten verbonden zijn door wormgaten. De theorie kent een aantal paradoxen, maar tracht te verklaren hoe deeltjes en antideeltjes toch verstrengeld en dus verbonden kunnen zijn.

Hoe zou het voor de ervaring zijn om in een zwart gat af te dalen tot in de kern, de singulariteit geheten? Een astronaut aan boord van een ruimteschip brandt toch niet op door een muur van vuur bij de waarnemingshorizon, zoals de paradox oorspronkelijk voorspelde, legt Almheiri uit.

De oplossing van de firewall-paradox wijst er juist op dat er geen conflict is met Einsteins opvatting. Astronauten en ruimteschepen krijgen het niet eens erg warm van de waarnemingshorizon, hooguit als ze daar voorbij zijn, maar ze worden wel langzaam uitgerekt tot een soort spaghettislierten bij het naderen van de singulariteit.

Vandaag weten we dat zwarte gaten echte objecten zijn en dat het heelal er waarschijnlijk vol mee zit. Dit werd deels bevestigd door een historische foto uit 2019 van een oranje lichtring. Op de afbeelding wordt het licht van gassen afgebogen rond de waarnemingshorizon wanneer ze rond het centrum van het zwarte gat in het sterrenstelsel Messier 87 wervelen. Het zwarte gat is zelf niet te zien omdat het licht opslokt, precies zoals Einstein voorspelde.

Met acht radiotelescopen her en der op aarde zijn wetenschappers erin geslaagd de eerste foto van een zwart gat te maken. De foto is gepubliceerd in 2019.

© EHT Collaboration

In het centrum van ons sterrenstelsel kan er zich volgens astronomen een reusachtig zwart gat bevinden, Sagittarius A*, dat circa 4,6 miljoen keer zo veel massa heeft als de zon.

Of natuurkundigen uiteindelijk kunnen aantonen of we worden verbrand, uitgerekt of uit elkaar gerukt terwijl we in een zwart gat worden gezogen, blijft echter onzeker.

‘Het is een gok. Zelfs als we een zwart gat vinden dat dicht genoeg in de buurt is om experimenten op uit te voeren, zullen die zo complex zijn dat het minstens de levensduur van het heelal zal vergen om ze uit te voeren,’ zegt Ahmed Almheiri.