In de verwarde kamers van zwarte gaten komen twee fundamentele theorieën over onze wereld met elkaar in botsing. Bestaan zwarte gaten echt? Het lijkt erop dat ja. Kunnen de fundamentele problemen die naar voren komen bij nadere inspectie van zwarte gaten worden opgelost? Onbekend. Om te begrijpen waar wetenschappers mee te maken hebben, moet je een beetje in de geschiedenis van de studie van deze ongewone objecten duiken. En we zullen beginnen met het feit dat van alle krachten die in de natuurkunde bestaan, er één is die we helemaal niet begrijpen: zwaartekracht.
Zwaartekracht is het snijpunt van fundamentele fysica en astronomie, de grens waar twee van de meest fundamentele theorieën die onze wereld beschrijven met elkaar in botsing komen: de kwantumtheorie en Einsteins theorie van ruimte-tijd en zwaartekracht, ook wel algemene relativiteitstheorie genoemd.
Zwarte gaten en zwaartekracht
Deze twee theorieën lijken onverenigbaar te zijn. En dat is niet eens een probleem. Ze bestaan in verschillende werelden, de kwantummechanica beschrijft erg klein en de algemene relativiteitstheorie beschrijft erg groot.
Pas als je op extreem kleine schaal en extreme zwaartekracht komt, komen de twee theorieën met elkaar in botsing en op de een of andere manier blijkt een ervan ongelijk te hebben. Het volgt in ieder geval uit de theorie.
Maar er is één plek in het universum waar we echt getuige kunnen zijn van dit probleem en het misschien zelfs kunnen oplossen: de rand van een zwart gat. Hier ontmoeten we de meest extreme zwaartekracht. Maar er is één probleem: niemand heeft ooit een zwart gat "gezien".
Promotie video:
Wat is een zwart gat?
Stel je voor dat al het drama in de fysieke wereld zich afspeelt in het theater van ruimte-tijd, maar dat de zwaartekracht de enige kracht is die het theater waarin het wordt gespeeld daadwerkelijk verandert.
De zwaartekracht beheerst het universum, maar het is misschien niet eens een kracht in de traditionele zin. Einstein beschreef het als een gevolg van de vervorming van ruimte-tijd. En misschien past het gewoon niet in het standaardmodel van deeltjesfysica.
Wanneer een zeer grote ster aan het einde van zijn leven explodeert, stort zijn binnenste deel onder zijn eigen zwaartekracht in, omdat er niet langer genoeg brandstof is om de druk tegen de zwaartekracht in te houden. De zwaartekracht kan immers nog steeds kracht uitoefenen, zo lijkt het.
Materie stort in en geen kracht in de natuur kan deze instorting verlaten.
Over een oneindige tijd stort een ster in tot een oneindig klein punt: een singulariteit, of laten we het een zwart gat noemen. Maar in een eindige tijd zal de stellaire kern natuurlijk ineenstorten tot iets van eindige afmetingen, en nog steeds een enorme massa hebben in een oneindig klein gebied. En het wordt ook wel een zwart gat genoemd.
Zwarte gaten zuigen niet alles op
Opmerkelijk genoeg is het idee dat een zwart gat onvermijdelijk alles in zich opzuigt, verkeerd.
Of je nu in een baan om een ster draait of een zwart gat dat uit een ster is gevormd, het maakt niet uit zolang de massa hetzelfde blijft. Een goede ouderwetse middelpuntvliedende kracht en je impulsmoment houden je veilig en voorkomen dat je valt.
Pas wanneer je je raketremmen gebruikt om de spin te onderbreken, begin je naar binnen te vallen.
Zodra je echter in zwarte gaten begint te vallen, zul je geleidelijk versnellen naar steeds hogere snelheden totdat je uiteindelijk de snelheid van het licht bereikt.
Waarom zijn kwantumtheorie en algemene relativiteitstheorie onverenigbaar?
Op dit moment gaat alles kapot, want in overeenstemming met de algemene relativiteitstheorie kan niets sneller bewegen dan de lichtsnelheid.
Licht is een substraat dat in de kwantumwereld wordt gebruikt om krachten uit te wisselen en informatie naar de macrokosmos te transporteren. Licht bepaalt hoe snel je oorzaak en gevolg kunt verbinden. Als je sneller beweegt dan het licht, kun je gebeurtenissen zien en dingen veranderen voordat ze gebeuren. En dit heeft twee gevolgen:
- Op het punt waar je de lichtsnelheid bereikt door naar binnen te vallen, moet je ook met een nog hogere snelheid uit dat punt vliegen, wat onmogelijk lijkt. Daarom zal conventionele fysieke wijsheid je vertellen dat niets een zwart gat kan verlaten door deze barrière te doorbreken, die we ook de "gebeurtenishorizon" noemen.
- Hieruit volgt ook dat de basisprincipes van het bewaren van kwantuminformatie plotseling worden geschonden.
Of dit waar is en hoe we de theorie van de zwaartekracht (of kwantumfysica) kunnen wijzigen, zijn vragen waar veel natuurkundigen naar op zoek zijn. En niemand van ons kan zeggen met welke argumenten we zullen eindigen.
Bestaan er zwarte gaten?
Het is duidelijk dat al deze opwinding alleen gerechtvaardigd zou zijn als er echt zwarte gaten in dit universum zouden bestaan. Dus bestaan ze?
In de afgelopen eeuw is overtuigend bewezen dat sommige dubbelsterren met intense röntgenstraling in feite sterren zijn die zijn ingestort tot zwarte gaten.
Bovendien vinden we in de centra van sterrenstelsels vaak aanwijzingen voor enorme, donkere massaconcentraties. Dit kunnen superzware versies zijn van zwarte gaten, waarschijnlijk gevormd door het samensmelten van vele sterren en gaswolken die zich in het centrum van de melkweg stortten.
Het bewijs is sterk maar indirect. Door zwaartekrachtgolven konden we op zijn minst het samensmelten van zwarte gaten 'horen', maar de handtekening van de waarnemingshorizon is nog steeds ongrijpbaar en we hebben tot nu toe nog nooit zwarte gaten 'gezien' - ze zijn gewoon te klein, te ver weg en in de meeste gevallen te zwart.
Hoe ziet een zwart gat eruit?
Als je rechtstreeks in een zwart gat kijkt, zie je de donkerste duisternis die je je kunt voorstellen.
Maar de directe omgeving van het zwarte gat kan helder genoeg zijn als de gassen naar binnen spiralen - en vertragen door de weerstand van de magnetische velden die ze dragen.
Door magnetische wrijving wordt het gas verhit tot enorme temperaturen van enkele tientallen miljarden graden en begint het ultraviolette straling en röntgenstraling uit te zenden.
Ultrahete elektronen die in wisselwerking staan met het magnetische veld in het gas, beginnen intense radiostraling te produceren. Zwarte gaten kunnen dus gloeien en kunnen worden omgeven door een ring van vuur die op verschillende golflengten uitzendt.
Ring van vuur met een zwart-zwart hart
En toch, precies in het midden, vangt de waarnemingshorizon, als een roofvogel, elk foton dat te dichtbij komt.
Omdat de ruimte wordt gekromd door de enorme massa van het zwarte gat, buigen de lichtpaden ook en vormen ze zelfs bijna concentrische cirkels rond het zwarte gat, als serpentines rond een diepe vallei. Dit ring van lichteffect werd al in 1916 berekend door de beroemde wiskundige David Hilbert, slechts een paar maanden nadat Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie had voltooid.
Nadat ze het zwarte gat meerdere keren zijn doorkruist, kunnen sommige lichtstralen ontsnappen, terwijl andere in de waarnemingshorizon terechtkomen. Op dit ingewikkelde pad van licht kun je letterlijk in een zwart gat turen. En het "niets" dat aan je blik verschijnt, zal de waarnemingshorizon zijn.
Als je een foto van een zwart gat zou maken, zou je een zwarte schaduw zien omgeven door een gloeiende mist van licht. We noemden deze functie de schaduw van het zwarte gat.
Opmerkelijk genoeg lijkt deze schaduw groter te zijn dan je zou verwachten als we de diameter van de waarnemingshorizon als oorsprong nemen. De reden is dat het zwarte gat werkt als een gigantische lens, die zichzelf versterkt.
De schaduwomgeving wordt vertegenwoordigd door een kleine "fotonenring" vanwege het licht dat bijna voor altijd rond het zwarte gat wervelt. Bovendien zie je meer ringen van licht verschijnen nabij de waarnemingshorizon, maar geconcentreerd rond de schaduw van het zwarte gat vanwege het lenseffect.
Fantasie of realiteit?
Zou een zwart gat een echte uitvinding kunnen zijn die alleen op een computer kan worden gemodelleerd? Of zie je het in de praktijk? Antwoord: het is mogelijk.
Er zijn twee relatief nabije superzware zwarte gaten in het universum die zo groot en dichtbij zijn dat hun schaduwen kunnen worden vastgelegd met behulp van moderne technologie.
In het centrum van onze Melkweg bevinden zich zwarte gaten op 26.000 lichtjaar afstand met een massa van 4 miljoen keer de massa van de zon en een zwart gat in het gigantische elliptische sterrenstelsel M87 (Messier 87) met een massa van 3-6 miljard zonsmassa's.
M87 is duizend keer verder weg, maar duizend keer massiever en duizend keer groter, dus beide objecten zullen ongeveer dezelfde diameter hebben als een schaduw die op de lucht wordt geprojecteerd.
Zie een mosterdkorrel in New York vanuit Europa
Toevallig voorspellen eenvoudige stralingstheorieën dat voor beide objecten straling die wordt gegenereerd nabij de waarnemingshorizon zal worden uitgezonden bij radiofrequenties van 230 Hz en hoger.
De meesten van ons komen deze frequenties pas tegen als we op een moderne luchthaven door een scanner moeten. Er zwemmen constant zwarte gaten in.
Deze straling heeft een zeer korte golflengte - in de orde van een millimeter - die gemakkelijk door water wordt geabsorbeerd. Om kosmische millimetergolven te kunnen waarnemen, moet een telescoop hoog op een droge berg worden geplaatst om te voorkomen dat hij straling in de troposfeer van de aarde absorbeert.
In feite hebben we een millimetertelescoop nodig die ergens in Nederland in New York een object ter grootte van een mosterdzaadje kan zien. Deze telescoop zal duizend keer scherper zijn dan de Hubble-ruimtetelescoop, en op millimetergolflengten zal de grootte van zo'n telescoop de Atlantische Oceaan of groter zijn.
Een virtuele telescoop ter grootte van de aarde
Gelukkig hoeven we de aarde niet met een enkele radioschotel te bedekken, omdat we een virtuele telescoop met dezelfde resolutie kunnen bouwen door gegevens van telescopen in verschillende bergen rond de aarde te combineren.
Deze techniek wordt apertuursynthese en zeer lange basisinterferometrie (VLBI) genoemd. Het idee is vrij oud en gedurende meerdere decennia bewezen, maar pas nu is het mogelijk geworden om het op hoge radiofrequenties toe te passen.
De eerste succesvolle experimenten lieten zien dat de structuren van de waarnemingshorizon bij dergelijke frequenties kunnen worden onderzocht. Nu is er alles wat je nodig hebt om zo'n experiment op grote schaal uit te voeren.
Er wordt al aan gewerkt
Het BlackHoleCam-project is een Europees project voor het ultieme beeld, meting en begrip van astrofysische zwarte gaten. Het Europese project maakt deel uit van een wereldwijde samenwerking - het Event Horizon Telescope-consortium, met meer dan 200 wetenschappers uit Europa, Amerika, Azië en Afrika. Samen willen ze de eerste foto van een zwart gat maken.
In april 2017 observeerden ze het galactische centrum en M87 met acht telescopen op zes verschillende bergen in Spanje, Arizona, Hawaii, Mexico, Chili en de Zuidpool.
Alle telescopen waren uitgerust met nauwkeurige atoomklokken om hun gegevens nauwkeurig te synchroniseren. Wetenschappers hebben verschillende petabytes aan onbewerkte gegevens vastgelegd, dankzij verrassend goede weersomstandigheden over de hele wereld op dat moment.
Foto van een zwart gat
Als wetenschappers erin slagen de waarnemingshorizon te zien, zullen ze weten dat de problemen die zich voordoen op het kruispunt van de kwantumtheorie en de algemene relativiteitstheorie niet abstract zijn, maar heel reëel. Misschien kunnen ze dan worden opgelost.
Dit kan worden gedaan door duidelijkere afbeeldingen te krijgen van de schaduwen van zwarte gaten, of door sterren en pulsars te volgen op hun weg rond zwarte gaten, met behulp van alle beschikbare methoden om deze objecten te bestuderen.
Misschien zijn het zwarte gaten die in de toekomst onze exotische laboratoria zullen worden.
Ilya Khel
