Zwarte gaten kunnen fractals aan hun oppervlak vormen wanneer ze groeien. Zo lijkt hun gedrag daardoor een beetje op dat van vloeistoffen.

Het oppervlak van een zwart gat reageert alsof het een vloeistof is waar je iets ingooit. Het kan zelfs turbulent worden, waardoor fractals zich kunnen vormen op het oppervlak. Dat meldden wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology op 14 april in het vakblad Physical Review Letters.

mandelbrot_set
De bekende Mandelbrot-verzameling.
Bron: Wikimedia Commons

Een  fractal is een meetkundige figuur die zelfgelijkend is. Dat wil zeggen dat het is opgebouwd uit delen die min of meer gelijkvormig zijn met de figuur zelf. Als je inzoomt op een fractal, zoals de bekende Mandelbrot fractal, zie je dat het ingezoomde stuk er bijna hetzelfde uitziet als het origineel. Fractals komen overal ter wereld in voor, zoals bij wolken en kustlijnen.

Op zoek naar de hoplossing
LEES OOK
Op zoek naar de hoplossing

Theoretisch fysicus Allan Adams en zijn collega’s vonden nieuw bewijs dat  fractalgedrag voorkomt op onverwachte plekken. Het oppervlak van een zwart gat vormt die fractals wanneer daar materie invalt. Zwarte gaten groeien als dat gebeurt. Het zwarte gat dat in het midden van de Melkweg staat zal dat ook doen wanneer hij later dit jaar een gaswolk opslokt.

Vloeistof en zwarte gaten

De onderzoekers wilden bestuderen hoe een zwart gat er uitziet als het ‘etenstijd’ is. Dat lukte door vloeistofdynamyca te combineren met de relativiteitstheorie van Einstein, waarmee je de zwaartekracht in de buurt van zwarte gaten kunt beschrijven.  2007 toonden natuurkundigen aan dat ze de formules die vloeistoffen en zwarte gaten beschrijven die over en weer te gebruiken zijn. Met die formules konden wetenschappers meer inzicht krijgen in beide systemen.

Adams en zijn collega’s waren nieuwsgierig naar turbulentie, de wervelbewegingen die ontstaan tussen verschillende gassen of vloeistoffen. Zo zorgt melk in koffie schenken bijvoorbeeld voor turbulentie. De onderzoekers vroegen zich af of iets dergelijks ook in zwarte gaten mogelijk is. ‘We gebruiken dit omkeerbare systeem tussen vloeistoffen en zwarte gaten, en we weten dat de vloeistoffen iets fascinerends doen: ze worden turbulent,’ zegt Adams. ‘We hebben alleen nog geen idee hoe dat terugvertaald kan worden naar het zwarte gat.’

Het onderzoeksteam simuleerde turbulentie in een vloeibaar systeem.  Vervolgens ‘vertaalden’ zij dat naar het systeem van een zwart gat en wachtten af. Toen de onderzoekers weer naar hun model keken, leek het alsof de horizon van het zwarte gat een oneindig oppervlak had gevormd.

‘Dat is een teken dat we een  fractal zagen’, zegt Adams. Het gebied is oneindig op dezelfde manier als een kustlijn, die oneindig lang lijkt te zijn. Hoe meer je inzoomt, hoe meer detail de vorm krijgt, en hoe meer ruimte hij in lijkt te nemen. ‘Het was voor ons een verrassing dat turbulentie in vloeistof de horizon verandert in een  fractal’, zegt Adams.

Omdat het onderzoeksteam een deel van het model heeft versimpeld om de simulaties gemakkelijker te maken, is het nog niet zeker hoe ze het naar zwarte gaten kunnen vertalen. Maar als zwarte gaten echt fractals vormen wanneer er materie in valt, kunnen daarvan afkomstige signalen worden opgevangen door zwaartekrachtgolven die de zwarte gaten uitzenden.

‘Dit is op meerdere manieren een exceptionele prestatie’, zegt Luis Lehner van het Perimeter-instituut in Waterloo, Canada. ‘Het is de allereerste keer dat een onderzoeksgroep aantoont dat een zwaartekrachtveld turbulentie vertoont in de verstoorde ruimtetijd van een zwart gat. Het resultaat opent deuren naar nieuw onderzoek.’