Een bom maken van een zwart gat – een idee dat voor het eerst werd geopperd in 1969 – is nu in versimpelde versie gerealiseerd in een lab, met behulp van magneetvelden en een draaiende cilinder. Het bestuderen van deze ‘bom’ kan ons helpen om echte zwarte gaten beter te begrijpen.
Natuurkundigen hebben de allereerste zwartgatbom gebouwd. Dit is een theoretisch fenomeen waarbij een ronddraaiend zwart gat de energie van elektromagnetische straling (zoals licht) blijft versterken, doordat omringende spiegels de steeds energiekere straling telkens terugkaatsen. Uiteindelijk bouwt zich dan zo veel energie op dat er een explosie plaatsvindt.
Gelukkig is de versie die natuurkundigen nu gebouwd hebben geen echt zwart gat in de ruimte, maar slechts een veilig en versimpeld model. Dat neemt echter niet weg dat het bestuderen ervan onderzoekers kan helpen beter te begrijpen hoe echte zwarte gaten draaien – de fysische principes zijn namelijk identiek.
Wat is de beste kookolie voor je gezondheid en het milieu?
Supermarkten hebben een enorm aanbod aan soorten olie om mee te koken. Welke is het gezondst? En welke is het slechtst voor het milieu?
Zwart gat of cilinder
Het idee om energie te onttrekken aan een zwart gat werd voor het eerst voorgesteld in 1969 door natuurkundige Roger Penrose. Hij merkte op dat een deeltje dat extreem dicht bij een ronddraaiend zwart gat vliegt energie zal winnen door een merkwaardig effect van de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Volgens dit effect sleurt het zwarte gat de ruimtetijd om zich heen steeds sneller mee.
Twee jaar later realiseerde een andere natuurkundige, Yakov Zeldovich, zich dat een soortgelijk proces zou kunnen optreden in andere scenario’s. Het lijkt bijvoorbeeld ook op te kunnen treden bij licht dat rond een snel ronddraaiende metalen cilinder beweegt. Zeldovich berekende dat dit zogeheten ‘superradiantie’ effect optreedt zolang de cilinder ronddraait met dezelfde frequentie als het licht. Dit betekent dat de cilinder wel ongelooflijk snel moet roteren. ‘Het is onmogelijk om iets [van] materie met dit soort snelheden te laten draaien’, zegt natuurkundige Hendrik Ulbricht van de Universiteit van Southampton in het Verenigd Koninkrijk.
Zeldovich suggereerde ook dat je de versterkte energie zou kunnen reflecteren, door de roterende cilinder te omringen met een cilindrische spiegel. Dat zou de energie verder versterken. Deze positieve terugkoppeling gaat door totdat de energie wordt afgevoerd of zover opbouwt dat er een explosie plaatsvindt.
Pas je dit idee toe op zwarte gaten, dan zou je een ‘zwartgatbom’ kunnen maken, waarbij evenveel energie vrijkomt als bij een supernova (het explosieve einde van een zware ster). Dit zou ook werken zonder dat je er bewust licht op afstuurt. Het zwarte gat zou namelijk kleine elektromagnetische fluctuaties in het vacuüm van de ruimte zelf kunnen versterken, waardoor het energie uit omgevingsruis produceert.
Covid-19 lockdown
Dit bleef lang theoretisch. Maar nu hebben Ulbricht en zijn collega’s een manier gevonden om de terugkoppeling van Zeldovich te demonstreren met behulp van een roterende aluminium cilinder en magnetische velden. Ulbricht bouwde het eerste prototype tijdens de eerste covid-19-lockdown in het Verenigd Koninkrijk in 2020. ‘Alles was gesloten, en ik verveelde me. Ik wilde iets doen, dus ik bouwde de opstelling en begon deze experimenten uit te voeren. En toen zag ik de versterking. Ik was zo enthousiast dat je eigenlijk zou kunnen zeggen dat het me gered heeft tijdens covid.’
Al snel schakelde hij collega’s in om een robuustere experimentele opstelling te bouwen. Die bestaat uit een roterende aluminium cilinder die wordt aangedreven door een elektromotor. Daaromheen staan drie lagen metalen spoelen die een magnetisch veld produceren dat met een vergelijkbare snelheid rond de cilinder draait. In deze opstelling fungeren de spoelen als spiegel en het magnetische veld als licht. Dit resulteerde in een nog groter magnetisch veld dat uit de cilinder kwam, zoals Zeldovich voorspelde.
‘Als je een laagfrequente elektromagnetische golf tegen een draaiende cilinder gooit, wie zou dan denken dat je meer terugkrijgt dan wat je erin hebt gegooid? Het is echt verbijsterend’, zegt natuurkundige Vitor Cardoso van de Universiteit van Lissabon in Portugal.
Deeltjesdetectoren
Ulbricht en zijn team toonden vervolgens aan dat de opstelling zelfs zonder initieel magneetveld een steeds sterker wordend signaal zou genereren in de omringende spoelen. Dat werkt net zoals het theoretische voorbeeld van een zwart gat dat energie opbouwt zonder dat je er eerst licht op afstuurt. ‘We genereren in feite een signaal uit ruis. Dat is hetzelfde wat er gebeurt in het voorstel voor een zwartgatbom.’ zegt Ulbricht.
‘Als je nauwkeurige metingen van dit proces in het laboratorium hebt, kun je met een gerust hart zeggen: ‘Ja, dit moet ook gebeuren bij zwarte gaten’’, zegt Cardoso.
Hoewel de laboratoriumversie slechts een analogie is, zou die natuurkundigen kunnen helpen te begrijpen hoe echte zwarte gaten deeltjes energie geven. Dit zou kunnen helpen bij het testen van theoretische ideeën over nog niet ontdekte deeltjesvelden, zoals een veld waaruit donkere materie zou kunnen ontstaan.
‘Als er nieuwe velden bestaan, zouden we bijvoorbeeld zwaartekrachtgolven moeten zien die worden uitgezonden door deze wolk rond zwarte gaten. Of we zouden zwarte gaten moeten zien ronddraaien, omdat ze hun energie weggeven aan deze nieuwe deeltjes’, zegt Cardoso. ‘Superradiantie verandert zwarte gaten dus in deeltjesdetectoren. Voor bepaalde typen donkere materie zouden die veel betere deeltjesdetectoren kunnen zijn dan [de Large Hadron Collider bij] CERN.’
