Metingen aan zwarte gaten luiden een nieuw tijdperk in voor natuurkundigen

Een eeuw lang waren zwarte gaten vooral theoretische objecten, maar sinds 2015 worden ze ook direct waargenomen. De mogelijkheid om metingen te doen aan deze mysterieuze zwaartekrachtmonsters luidt een nieuw tijdperk in voor theoretisch natuurkundigen, zegt Stefan Vandoren.

‘Er is nog een grote afstand te overbruggen tussen wat we nu kunnen zien met experimenten, van zwaartekrachtgolvendetectoren tot en met de Event Horizon Telescope, en waar we als theoretisch natuurkundigen aan kunnen rekenen’, zegt Stefan Van­doren, als hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit Utrecht ge­specialiseerd in zwarte gaten. ‘Het is een worsteling. Daarom hebben we het Dutch Black Hole Consortium opgericht: om verschillende onderzoeksgemeenschappen bij elkaar te brengen.’

Op 14 september 2015 nam de Amerikaanse detector LIGO voor het eerst zwaartekrachtgolven waar, afkomstig van twee botsende zwarte gaten. Inmiddels zijn daar ruim tachtig nieuwe detecties op gevolgd. En in 2019 publiceerden de onderzoekers achter de Event Horizon Telescope, een combinatie van aardse telescopen, voor het eerst een afbeelding van een zwart gat – of eigenlijk: van de ring van heet gas eromheen. Het zwarte gat zelf is niet zichtbaar.

LEES OOK

Is het puberbrein geëvolueerd met een doel?

Heeft het wispelturige brein dat we in onze puberteit hebben – dat bekendstaat om zijn suboptimale besluitvorming – evolutionair nut?

En er zit nog meer in het vat. In 2035 moet LISA gelanceerd worden, een zwaartekrachtgolvendetector in de ruimte. Vandoren is ook betrokken bij de plannen voor de Einstein Telescope, een ondergrondse zwaartekrachtgolvendetector gepland in Limburg en aangrenzend Duitsland en België. De me­tingen betekenen een ­omwenteling in het ­onderzoek naar zwarte gaten en zwaartekracht. ‘Wat alle nieuwe apparaten gemeenschappelijk hebben, is dat we er ­uiteindelijk de zwaartekrachttheorie mee willen testen’, zegt Vandoren.

Redelijk kaal

Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1915, die de ruimte en tijd beschrijft als een soort rekbaar rubber, voorspelt de verschijnselen die wij kennen als de zwaartekracht. De extreemste vorm daarvan zijn massaconcentraties waaraan zelfs licht niet kan ontsnappen: zwarte gaten. In de loop van de eeuw sinds de publicatie van Einsteins theorie bleken die zwarte gaten ook echt te bestaan. Zware sterren exploderen aan het eind van hun levensloop, wat overblijft stort in tot een zwart gat. In het centrum van de meeste sterrenstelsels schuilt een monsterlijk zwart gat met een massa van miljoenen tot miljarden zonnen. Die zwarte gaten krijgen we nu eindelijk in beeld en de metingen kloppen nog altijd precies. ‘Maar eigenlijk hopen we iets te vinden dat afwijkt van de theorie die we van Einstein hebben gekregen’, zegt Vandoren, ‘Dan wordt het pas echt spannend.’

Hoe immens en onzichtbaar ook, volgens Einsteins theorie zijn zwarte gaten in zekere zin extreem eenvoudig, vertelt hij. ‘In de jaren zeventig bewees Jacob Bekenstein de no-hair-stelling. Die houdt in dat een zwart gat, als je alle vergelijkingen oplost, wordt beschreven door slechts drie getallen: de massa, de spin – een soort draaisnelheid – en de elektrische lading. Daarmee weet je alles wat er over het zwarte gat te zeggen is.’ Een zwart gat is dus redelijk kaal; vandaar de natuurkundigengrap ‘een zwart gat heeft geen haar’.

Maar na honderd jaar willen natuurkundigen graag voorbij Einsteins theorie kijken. Misschien heeft een zwart gat tóch haar. Zo werken Vandoren en andere natuurkundigen aan theoretische modellen van zogenoemde scalaire velden. ‘Daarbij heeft een zwart gat een soort wolk om zich heen die bestaat uit deeltjes die we nu nog niet kennen: een soort higgs­deeltjes, maar dan vele malen lichter.’

Scalaire velden zouden ook een rol kunnen spelen bij de verklaring van donkere materie, de onzichtbare materie waarvan het bestaan is af te leiden uit astronomische waarnemingen. ‘Je kunt berekenen of scalaire velden – als ze echt bestaan – een effect hebben op de profielen van de zwaartekrachtgolven die we nu meten. Misschien zijn die dan een beetje verschoven, of neemt de amplitude iets sneller af dan Einsteins theorie voorspelt.’ Als het aantal detecties van zwaartekracht­golven toeneemt, zal duidelijk worden of zulke afwijkingen er ook echt zijn.

Verdampende gaten

Het is maar één voorbeeld van de theoretische vragen over zwarte gaten waarop dankzij de nieuwe waarnemingsmethodes eindelijk een antwoord in zicht komt. Andere vragen gaan over de minimale massa’s van zwarte gaten: tot nog toe is 3,5 zons­massa’s de kleinste die is gezien, terwijl neutronensterren – de gewichtsklasse ­onder zwarte gaten – maximaal 2,3 zons­massa’s wegen.

Een grote openstaande vraag is ook de hawkingstraling, de extreem zwakke straling die zwarte gaten uitzenden, voorspeld door theoretisch natuurkundige Stephen Hawking. ‘Door hawkingstraling wordt energie uit de zwarte gaten weggevoerd. Daardoor ‘verdampen’ zwarte gaten langzaam’, vertelt Vandoren. ‘Voor gewone zwarte gaten is de straling extreem zwak en duurt het verdampen 10⁶⁰ jaar. Maar als er kort na de oerknal heel lichte primordiale zwarte gaten zijn ontstaan, verdampen die veel sneller. Uiteindelijk eindigen die met een soort explosie van licht. En dat signaal is in principe wel waarneembaar.’

Dat biedt hoop: een detectie van hawkingstraling – nog ver weg maar niet ondenkbaar – zou weer meer informatie kunnen opleveren over wat er in een zwart gat gebeurt. Vandoren: ‘Volgens Hawking zelf zat er geen informatie verstopt in de hawkingstraling, maar de laatste theoretische ontwikkelingen met hulp van het holografisch principe wijzen erop dat er toch informatie in zit. En aan die straling kun je in principe metingen doen om iets te weten komen over het ­binnenste van het zwarte gat.’

Die metingen zouden weer een richtingaanwijzer kunnen zijn naar de aard van quantumzwaartekracht, de combinatie van quantummechanica en algemene relativiteit die natuurkundigen al een halve eeuw najagen, onder andere met de snaartheorie. ‘Dat is erg spannend voor een theoretisch natuurkundige’, zegt Vandoren. ­‘Uiteindelijk zijn we daarnaar op zoek.’

Dit artikel is verschenen in de special ‘Dichter bij het zwarte gat’. Deze special is gemaakt door de redactie van New Scientist in opdracht van Rijksmuseum Boerhaave, Discovery Museum, Nikhef en het Dutch Black Hole Consortium.