Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: verdampt op extreem lange termijn werkelijk alles in het heelal?

Het beeld dat de meeste mensen hebben van een zwart gat is dat van een nietsontziend kosmisch doucheputje. Alles wat de pech heeft erin te belanden, komt er nooit meer uit. Want zelfs licht is niet snel genoeg om aan een zwart gat te ontsnappen, en alle gewone materie is gedoemd altijd trager dan het licht te gaan. Als een zwart gat dus in feite alles opslokt wat het maar te pakken krijgt en nooit iets uitspuugt, zou je verwachten dat zo’n gat alleen maar kan groeien. Maar dat is niet zo, bedacht de beroemde Engelse natuurkundige Stephen Hawking in 1974. Een zwart gat kan via een omweg een vorm van straling afgeven – hawkingstraling, noemen we die inmiddels – en zo toch verdampen.

Dat geldt niet alleen voor zwarte gaten, stellen nu de wis- en sterrenkundigen Michael Wondrak, Walter van Suijlekom en Heino Falcke van de Radboud Universiteit in Nijmegen. Ook een ‘gewoon’ object kan dit soort straling afgeven en zo op de lange termijn verdwijnen. Wat zou betekenen dat werkelijk niets in het heelal het eeuwige leven heeft.

Meer van de Far Out-rubriek:

• Zijn er misschien toch deeltjes sneller dan het licht?
• Astronomen hebben 600.000 sterren doorgelicht op signalen van aliens

Niet zo exotisch

In zijn wereldberoemde boek A Brief History of Time (in Nederland verschenen onder de nogal fantasieloze titel Het heelal) omschrijft Hawking de naar hem vernoemde straling als volgt. Een stukje ruimte dat op het eerste gezicht leeg lijkt, is dat niet echt. Overal ploppen uit het niets koppels van deeltjes tevoorschijn. Of liever: een deeltje en het bijbehorende antideeltje. Maar na een fractie van een seconde vernietigen die elkaar weer. Daarom worden dit soort extreem kort levende deeltjes virtuele deeltjes genoemd.

Maar stel nu dat zo’n koppel deeltjes ontstaat nét buiten de grens van een zwart gat: de waarnemingshorizon. Dan kan het voorkomen dat, voordat ze elkaar vernietigen, een van beide het gat in wordt getrokken en het andere niet. Dat tweede deeltje kan dan het heelal in reizen. Zulke ontsnapte deeltjes kun je dan zien als een vorm van straling die het zwarte gat uitzendt. Waardoor dat gat – als je het tenminste geen nieuwe materie voert – extreem langzaam massa verliest.

Een heel exotisch verschijnsel dus? Dat zou weleens mee kunnen vallen volgens Falcke en collega’s. In hun artikel suggereren ze namelijk dat die hele waarnemingshorizon niet nodig is om dit soort straling te produceren. “Ook andere objecten, zoals een neutronenster of een KIJK-redacteur, zouden hawkingstraling kunnen maken”, zegt Falcke.

Zwaartekrachtput

Het punt waar het om gaat, is dat volgens de algemene relativiteitstheorie alles met een massa de omringende ruimtetijd kromt. Het bekende beeld dat daarbij hoort: stel je de ruimtetijd voor als een strak gespannen laken, en iets met een massa – zeg, een planeet – als een biljartbal. Leg je die biljartbal op dat laken, dan maakt hij daar een kuiltje in.

Stel nu dat er, ergens op de wand van zo’n ‘zwaartekrachtput’ twee deeltjes uit het niets ontstaan. Dan kan het gebeuren dat het verschil in zwaartekracht dat het ene deeltje ervaart zó verschilt van de kracht die het andere deeltje ondervindt, dat ze voldoende uit elkaar worden getrokken om elkaar niet meer te kunnen vernietigen. Zo veranderen dus, in de buurt van een object met een massa, twee virtuele deeltjes in twee echte deeltjes, zonder dat daar een zwart gat aan te pas komt.

Maar hoe zorgen die twee kersverse deeltjes er dan voor dat het object in hun buurt lichter wordt en verdampt? “Dat is de grote vraag”, reageert Falcke. “Er ontstaat op deze manier straling, dus het zwaartekrachtveld van het object in kwestie moet erdoor afnemen. Maar hoe dat precies in zijn werk gaat, weten we niet.”

Geen zorgen

De reacties op deze zwart-gat-loze hawkingstraling lopen nogal uiteen, zegt Falcke. “Zo’n 10 procent van de natuur- en sterrenkundigen die ons artikel bekeken, zegt: ‘Dat wisten we allang.’ 10 procent zegt: ‘Dit kan niet kloppen.’ En 80 procent krabt zich achter de oren en weet niet wat ervan te denken.”

Tot het kamp ‘dit kan niet kloppen’ behoort natuurkundige Antonio Ferreiro, ook verbonden aan de Radboud Universiteit. Samen met twee collega’s zette hij een stuk online waarin hij de belangrijkste formule uit het artikel van Wondrak, Van Suijlekom en Falcke onder vuur neemt. “Deze formule zou van toepassing moeten zijn op elk zwaartekracht- of elektromagnetisch veld”, licht hij per mail toe. “Maar als je hem loslaat op situaties waarvan we weten dat er géén deeltjes ontstaan, worden er volgens deze formule toch deeltjes geproduceerd. Dat laat zien dat hij op zijn best niet volledig en niet algemeen toepasbaar is.” Volgens Falcke is dat laatste ook niet de bedoeling. “Onze vergelijkingen worden hier gebruikt voor iets waar ze niet voor zijn bedoeld.”

Ook als de kritiek van Ferreiro en anderen geen hout snijdt, hoef je trouwens niet bang te zijn dat de zon, de aarde, jij of je favoriete KIJK-redacteur op korte termijn verdampt. Voordat de zwaarste zwarte gaten via ‘gewone’ hawkingstraling volledig verdwenen zijn, kan er wel 10 tot de macht 100 jaar voorbijgaan. Oftewel: een periode die onvoorstelbaar veel langer is dan de volledige levensduur van het heelal tot nu toe.

Goed, een KIJK-schrijver van een kilo of 70 zal wat sneller verdampen – maar het verschijnsel verloopt bij lange na niet snel genoeg om ook maar een milliseconde van zijn levensverwachting af te kunnen snoepen.

Jean-Paul Keulen is wetenschapsjournalist gespecialiseerd in natuur- en sterrenkunde. Voor dit artikel raadpleegde hij onder meer de volgende literatuur: Michael Wondrak e.a.: Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation, Physical Review Letters (2 juni 2023), Antonio Ferreiro e.a.: Comment on “Gravitational Pair Production and Black Hole Evaporation”, ArXiv.org (13 juni 2023).

Deze Far Out staat in KIJK 10/2023. Hieronder eenvoudig te bestellen, met gratis verzending binnen Nederland.

Openingsbeeld: