De relativiteitstheorie van Albert Einstein voorspelt dat een zwart gat kan ontstaan uit niets anders dan licht. Maar als je quantumeffecten in acht neemt, blijkt dat toch niet mogelijk.

Het lijkt erop dat het niet mogelijk is om zwarte gaten te laten ontstaan uit alleen maar licht. Dat zou wel moeten kunnen als we de theorieën van Albert Einstein tot op de letter volgen. Die stellen immers dat energie en massa één en hetzelfde zijn, een relatie die is samengevat in de beroemde formule E = mc2. Als dat zo is, moet het mogelijk zijn om een gebied van licht te maken met zo’n hoge dichtheid dat het ineenstort tot een zwart gat – net zoals dat met massa kan gebeuren. Nu blijkt dat quantumeffecten hier in het geval van licht een stokje voor steken.

Kugelblitz

Het idee dat een zwart gat kan ontstaan door de ineenstorting van licht bestaat al tientallen jaren. Zo’n zwart gat staat bekend onder de naam ‘kugelblitz’. Natuurkundigen hebben zich erover gebogen of deze objecten in een laboratorium gemaakt kunnen worden, en zelfs of ze gebruikt kunnen worden om ruimteschepen van energie te voorzien.

Is het puberbrein geëvolueerd met een doel?
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?

Natuurkundige Eduardo Martín-Martínez van de Universiteit van Waterloo in Canada en zijn collega’s gooien nu roet in het eten. Zij stellen dat als je quantumeffecten in acht neemt, deze vreemde objecten niet kunnen ontstaan. ‘Onder de huidige omstandigheden van ons universum is het onmogelijk om een kugelblitz op natuurlijke of kunstmatige wijze te produceren, zelfs niet met superkrachtige lasers die nog niet eens bestaan’, zegt Martín-Martínez. Ze vatten hun idee samen in een wetenschappelijk artikel dat online is verschenen, maar nog niet is getoetst door onafhankelijke experts.

Schwingereffect

Het quantumverschijnsel dat de spelbreker is, heet het Schwingereffect. Door dit effect kan er in een sterk elektromagnetisch veld spontaan materie ontstaan. Dat gebeurt bijvoorbeeld wanneer je met een intense lichtbundel een krachtig veld opwekt en dat vervolgens in een klein gebied concentreert. In dat veld zullen dan spontaan paren van elektronen en positronen verschijnen. Deze deeltjes stelen een beetje energie van het elektromagnetisch veld waaruit ze zijn voortgekomen.

De onderzoekers ontdekten dat de grote lichtconcentratie die nodig is om een kugelblitz te maken een enorme hoeveelheid elektronen en positronen zou opleveren. Deze deeltjes zouden wegracen van de plek waar ze ontstaan, en daarmee voorkomen dat zich daar een zwart gat vormt. ‘Dit effect belemmert het ontstaan van het zwarte gat nog voordat [het] ook maar in de buurt komt van een zwart gat’, zegt teamlid José Polo-Gómez.

De onderzoekers ontdekten dat deze regel opgaat voor allerlei zwarte gaten: alles met een straal tussen 100.000 kilometer en 10-29 meter, biljoenen keren kleiner dan een proton. ‘Het bereik van lengteschalen dat wordt uitgesloten is enorm, dus ik denk dat het alle realistische scenario’s omvat, tenminste volgens ons huidige begrip van de natuurkunde’, zegt zwarte-gaten-expert Elizabeth Winstanley van de Universiteit van Sheffield in het Verenigd Koninkrijk. Zij was niet betrokken bij het onderzoek.

Oergaten

De enige mogelijke uitzondering stamt uit het vroege heelal, toen de ruimtetijd zich nog anders gedroeg dan nu. De verschillen tussen de ruimtetijd van toen en nu staan het ontstaan van een kugelblitz toe.

Het onderzoek sluit ook niet de mogelijkheid uit dat een zwart gat ontstaat uit materie en vervolgens verder groeit door licht in te vangen. ‘Als een zwart gat eenmaal bestaat, kun je er zeker licht in gooien’, zegt Martín-Martínez. ‘Maar zodra het de waarnemingshorizon van een zwart gat voorbij is, is het geen licht meer. De algemene relativiteitstheorie stelt dat er geen manier is om te weten waar een zwart gat van gemaakt is.’

Dit betekent ook dat een kugelblitz uit het vroege heelal er precies hetzelfde uitziet als een gewoon zwart gat. We hebben dus geen manier om deze twee van elkaar te onderscheiden.

‘De vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie hebben veel exotische oplossingen’, zegt Winstanley. ‘[Dit soort onderzoek] is belangrijk om te bepalen welke oplossingen realistisch zijn en welke oplossingen we kunnen uitsluiten omdat ze in het werkelijke universum niet kunnen ontstaan.’