Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Zijn zwarte gaten eigenlijk bollen vol donkere energie of snaartjes? Drie natuurkundigen bepaalden hoe en wanneer we daarachter zullen komen.
Zwarte gaten zijn behoorlijk exotisch, zou je zeggen. Alle massa die ze bevatten, zit samengebald in het midden, in een punt met een oneindig grote dichtheid dat zich niet door onze huidige theorieën laat beschrijven. En op enige afstand van die zogeheten singulariteit bevindt zich de waarnemingshorizon: een bolvormige grens die je alleen maar van buiten naar binnen kunt passeren. Ben je hem eenmaal voorbij, dan is er geen weg terug meer.
Toch worden zwarte gaten niet gerekend tot de exotische, compacte objecten (ECO’s). Waar zwarte gaten voortkomen uit Albert Einsteins algemeen geaccepteerde algemene relativiteitstheorie, worden ECO’s voorgeschreven door alternatieve theorieën die zich nog moeten bewijzen. En volgens de Braziliaanse natuurkundige Luís Longo en twee collega’s kunnen we mogelijk al vanaf komend jaar gaan bepalen waar ons heelal nu écht mee is gevuld: zwarte gaten – of iets nog vreemders.
Lees ook:
Mysterieus spul
Wat zou zo’n ECO dan moeten zijn? Te denken valt aan een zogenoemde gravastar; een afkorting van gravitational vacuum star. Van de buitenkant lijkt zo’n ‘ster’ op een zwart gat, maar feitelijk is het een bolletje donkere energie – het mysterieuze spul dat het heelal steeds sneller zou doen uitdijen – omhuld door een dun schilletje materie.
Een andere optie komt voort uit de snaartheorie, een natuurkundige theorie die deeltjes op de kleinste schaal beschrijft als minuscule, trillende snaartjes. Volgens sommige wetenschappers zou een zwart gat eigenlijk een grote kluwen van dat soort snaartjes zijn; een zogeheten fuzzball. Het grote voordeel: je bent dan dat gekke punt met oneindig hoge dichtheid in het midden van het gat kwijt waar de bekende natuurwetten zich geen raad mee weten.
Maar, zo mailt Longo: “Voor mij maakt het niet uit met wát voor ECO we precies te maken hebben.” Waar het hem in zijn onderzoek om gaat, is dat ze geen van alle een waarnemingshorizon hebben. Het ontbreken van zo’n point of no return heeft namelijk gevolgen voor de zwaartekrachtsgolven, de trillingen in de ruimtetijd, die worden uitgezonden bij een botsing tussen twee zwarte gaten – of tussen twee ECO’s.
Natrillend zwart gat
Bij een zwartegatenbotsing zijn de zwaartekrachtsgolven van ná de botsing relatief eenvoudig: als twee zwarte gaten eenmaal zijn samengegaan tot één groot gat, trilt dat wat na. En dat natrillen kunnen we zien in de zwaartekrachtsgolven die experimenten als LIGO in de VS en Virgo in Europa de afgelopen jaren hebben geregistreerd.
Hebben we echter te maken met botsende ECO’s in plaats van zwarte gaten, dan houd je na die botsing een object zonder waarnemingshorizon over. Gevolg daarvan is dat de naar binnen toe reizende zwaartekrachtsgolven, die in het geval van een zwart gat onherroepelijk zouden verdwijnen, bij zo’n ECO terugstuiteren. Deze weerkaatste zwaartekrachtsgolven worden echo’s genoemd, die zich dan voegen bij de naar buiten toe reizende golven.
Het punt dat Longo en collega’s maken, is: áls je dit soort echo’s ziet, weet je dus dat je niet met een zwart gat te maken hebt, maar met een of andere ECO – of dat nu een gravastar, een fuzzball of nog iets anders is. En dan is dus ook meteen duidelijk dat de algemene relativiteitstheorie niet het hele verhaal is.
En kunnen we dat soort echo’s zien? Tja, een aantal wetenschappers heeft dat eerder wel geclaimd, onder wie een van de andere auteurs van Longo’s artikel, natuurkundige Niayesh Afshordi (zie KIJK 3/2017). Maar die claims vormden geen hard bewijs, zegt Longo. “Statistisch gezien was niet duidelijk of er sprake was van een echt signaal of van ruis die toevallig op een echo leek.”
‘Prima werk’
In het meest gunstige geval, schrijven Longo en collega’s nu, kunnen we zulke echo’s wél echt ontdekken als in het najaar van 2022 de twee LIGO-detectors weer aan de slag gaan, met verbeterde hardware en dus een hogere gevoeligheid. In het slechtste geval zullen we moeten wachten op de volgende generatie detectors, die halverwege de jaren dertig wordt opgeleverd.
Begin 2020 liet hoogleraar zwaartekrachtsgolvennatuurkunde Chris Van Den Broeck (Universiteit Utrecht en Nikhef) zich kritisch uit over de eerdergenoemde studie van Afshordi, die al melding maakte van echo’s. “De auteurs hebben weinig ervaring met de data-analyse van zwaartekrachtsgolfmetingen. En met zulke complexe metingen kun je dan vergissingen begaan”, zei hij toen tegenover New Scientist. Over deze nieuwe studie is hij echter een stuk positiever: “Dit lijkt me prima werk.” Wie weet zien we straks dus inderdaad een zwaartekrachtsgolvenecho die het eerste scheurtje vormt in Einsteins meer dan honderd jaar oude bouwwerk.
Deze Far Out staat ook in KIJK 8/2021, hier te bestellen.
Bronnen: Physical Review D., ArXiv.org
Beeld: Ivan Vdovin/iStock/Getty Images