Zelfs Einsteins relativiteitstheorie schiet tekort als we zwarte gaten willen beschrijven.

De afgelopen decennia hebben we dankzij krachtige telescopen, bemande en onbemande ruimtemissies in rap tempo meer kennis vergaard over sterren, planeten, manen, planetoïden en kometen. Maar terwijl al deze objecten gaandeweg wat mysterie moesten inleveren, bleef één fenomeen in het enorme universum werkelijk ongrijpbaar: het zwarte gat. Heel wat knappe koppen hebben er de afgelopen decennia lang en hard over nagedacht, maar rolden daarbij van de ene in de andere paradox en daaruit voortvloeiende discussies. Inmiddels is het 2017 en moeten we nog altijd concluderen dat zwarte gaten niet zo happig zijn op het vrijgeven van hun geheimen.

Mysterie
Dat zwarte gaten zo mysterieus blijven, heeft volgens Marcel Vonk, theoretisch fysicus aan de Universiteit van Amsterdam en auteur van het onlangs verschenen boek ‘Zwarte gaten, gevangen in ruimte en tijd‘ twee redenen. “De eerste is eigenlijk heel simpel,” zo vertelt hij aan Scientias.nl. “Zwarte gaten zijn heel moeilijk direct waar te nemen, omdat er geen licht vanaf komt (zie kader, red.). Voor natuurkundigen is dat lastig, omdat hun onderzoek altijd gebaseerd is op waarnemingen en experimenten.” Ook experimenten met zwarte gaten zijn op dit moment ondenkbaar. En dus moeten wetenschappers die zich willen verdiepen in zwarte gaten het doen met theoretische natuurkundige beschouwingen. En dat valt nog niet mee. “Dit zijn de meest extreme objecten in het universum. We moeten de natuurkundige wetten dan ook oprekken om ze te kunnen begrijpen.”

Wie nu opspringt, komt tot de ontdekking dat de zwaartekracht van de aarde te groot is om er langdurig van los te komen. Je hebt een hogere snelheid (11,2 kilometer per seconde!) nodig om aan de zwaartekracht van de aarde te kunnen ontsnappen. Maar de zwaartekracht van de aarde is peanuts in vergelijking met die van een zwart gat. Een zwart gat is namelijk niets anders dan een gebied met een enorme materiedichtheid. Die materiedichtheid is zo groot dat de ontsnappingssnelheid de snelheid van het licht overschrijdt. In andere woorden: je moet sneller gaan dan het licht om aan de greep van een zwart gat te kunnen ontsnappen. En dat kan niet. Dus werkelijk alles – zelfs licht – is gedoemd om – eenmaal in de greep van het zwarte gat – in een zwart gat te verdwijnen.

Vandaar dat een zwart gat – zoals de naam al doet vermoeden – ook echt zwart is: het kan geen licht uitstralen. “Dat is vrij uniek,” stelt Vonk. “Want als je in de natuurkunde kijkt, dan zie je dat voor alles geldt: hoe sterk het ook is, je kunt er altijd tegenin gaan.” Maar niet bij een zwart gat. Want een zwart gat heeft een point of no return. Onderzoekers noemen dat de waarnemingshorizon. Eenmaal voorbij die horizon kan niets meer aan de aantrekkingskracht van het zwarte gat ontsnappen.

Een kromming van de ruimtetijd
Dat zwarte gaten geen licht afgeven, is dus uniek en – vanuit het oogpunt van een onderzoeker – een tikkeltje hinderlijk. Maar een zwart gat haalt nog meer vreemde fratsen uit, zo schrijft Vonk in zijn boek. “Diep binnenin een zwart gat houdt de beschrijving van ruimte en tijd volgens de relativiteitstheorie op, en vinden we een zogeheten singulariteit. Ook op de rand van een zwart gat zijn er overigens al vreemde dingen met ruimte en tijd aan de hand: zo lijkt de tijd daar bijvoorbeeld stil te staan.” “Dat lijkt,” benadrukt Vonk nog eens in gesprek met Scientias.nl. “Als je in zo’n zwart gat valt, merk je er namelijk niks van en tikt je horloge nog steeds met 1 seconde per seconde. Maar als je van een afstand kijkt, lijkt de klok van degene die in het zwarte gat valt trager te gaan en uiteindelijk zelfs stil te komen staan.” Het is het resultaat van een kromming of draaiing van de ruimtetijd, wederom veroorzaakt door die enorme materiedichtheid. “Einstein heeft in zijn relativiteitstheorie ruimte en tijd als het ware aan elkaar geplakt en zo ontstond de ruimtetijd. En die kun je op verschillende manieren bekijken. Vergelijk het met een schilderij dat je vanuit een iets andere hoek bekijkt of een kwartslag draait, waardoor het er heel anders uitziet. Datzelfde blijkt rond een zwart gat met de ruimtetijd te gebeuren: de ruimtetijd wordt gedraaid, met als resultaat dat de tijd er langzamer lijkt te gaan.”

Hawkingstraling
Om het allemaal nog ingewikkelder te maken, blijken nabij de waarnemingshorizon van een zwart gat allerlei quantummechanische processen te spelen. “Daar ontstaan vanuit het niets deeltjes,” vertelt Vonk. Dat lijkt gek, maar in de quantummechanica – de natuurkundige beschrijving van het allerkleinste – gebeuren nu eenmaal vreemde dingen en kunnen ook vanuit het niets deeltjes ontstaan. Daar moeten we echter wel een paar voetnoten bij plaatsen. Ten eerste bestaan deze deeltjes die vanuit het niets ontstaan, maar even. Daarnaast ontstaan ze altijd in tweetallen (een deeltje en een anti-deeltje). “Het deeltjespaar heeft zijn energie tijdelijk uit het vacuüm ‘geleend’ en moet dat snel weer teruggeven.” Normaal gebeurt dat als de twee deeltjes botsen en elkaar opheffen. Maar stel je nu voor dat deze twee deeltjes nabij de waarnemingshorizon (de grens waarachter materie of licht onmogelijk nog aan de greep van het zwarte gat kan ontsnappen) ontstaan en één deeltje valt in het zwarte gat. Dan kunnen de deeltjes niet meer bij elkaar komen en dus ook de ‘geleende’ energie niet meer teruggeven. “De ontbrekende energie wordt dan in plaats daarvan onttrokken aan het zwarte gat, en daardoor wordt het minder energetisch en dus lichter.” En hierdoor lijkt het alsof energie uit het zwarte gat ontsnapt, maar dat is dus niet helemaal zo. “De straling (ook wel hawkingstraling genoemd, red.) ontstaat aan de rand en komt dus niet uit het zwarte gat,” aldus Vonk.

Hawkingstraling waarnemen
Ook de hawkingstraling is het resultaat van een theoretische beschouwing. Want het is tot op heden nog niet gelukt om deze straling daadwerkelijk rond een zwart gat te detecteren. “De temperatuur van de hawkingstraling rond een zwart gat dat tien keer zo zwaar is als de zon ligt ongeveer één miljardste graad boven het absolute nulpunt. Dat is ontzettend weinig, zeker als je het van een afstand van duizenden lichtjaren moet meten.” In theorie zouden we het bestaan van hawkingstraling ook op een andere manier kunnen aantonen. Namelijk door zelf micro-zwarte gaten te creëren. “Bijvoorbeeld in deeltjesversnellers.” Maar ook dat is lastiger dan het lijkt, want “kleine zwarte gaten, verdampen sneller”. Het betekent heel concreet dat een micro-zwart gat – als het al zou lukken om er eentje te maken – maar een fractie van een seconde zou bestaan.

Dat een zwart gat straling afgeeft, zonder informatie prijs te geven, is opvallend, zo schrijft Vonk in zijn boek. “Vergelijk dat met het licht dat wij met onze ogen opvangen en dat juist extreem veel informatie over de wereld om ons heen bevat. Een zwart gat geeft zijn informatie echter niet prijs.” Sterker nog: de informatie lijkt met de verdamping van een zwart gat voorgoed te verdwijnen. “In de natuurkunde zijn we gewend dat je alles kunt achterhalen. Als je een bal weggooit, kunnen we precies berekenen waar deze vandaan kwam. Maar na verdamping zijn we alle informatie over een zwart gat kwijt en kunnen we deze ook niet meer achterhalen.” En daarmee staan onderzoekers voor een raadsel. Want in de relativiteitstheorie en de quantummechanica – de theorieën die we gebruiken om zwarte gaten te beschrijven – gaat informatie nooit verloren. “Het suggereert dat deze twee theorieën niet voldoende zijn, willen we een zwart gat beschrijven. Er moet nog een ingrediënt bij óf de theorieën moeten grondig worden herzien.”

Black Hole Cam
Het moge duidelijk zijn: rond zwarte gaten gebeuren vreemde dingen. En onderzoekers werken hard om ze te begrijpen. Zo is momenteel het onderzoeksproject Black Hole Cam in volle gang. Tijdens dit onderzoeksproject wordt voor het eerst geprobeerd om de schaduw van een zwart gat te fotograferen. “Het is heel opwindend,” vindt Vonk. “Misschien dat we over een paar maanden al wel de eerste foto’s in handen hebben en dan kunnen we voor het eerst kijken tot aan de rand van een zwart gat.” Volgens hem kunnen we van dergelijke beelden een hoop leren, maar ze hebben ook hun beperkingen. “Zo kunnen we te weten komen wat er aan de rand van zo’n zwart gat gebeurt en nagaan of de relativiteitstheorie ook nabij zwarte gaten (en dus onder extreme omstandigheden, red.) standhoudt. Maar tegelijkertijd zullen we met gewoon licht ook nooit verder kunnen kijken dan die rand.” Maar gelukkig is er dan ook het zwaartekrachtsgolvenonderzoek nog. Sinds kort zijn we niet alleen in staat om deze rimpelingen in de ruimtetijd – die bijvoorbeeld ontstaan als twee zwarte gaten fuseren – te detecteren, maar kunnen we ook heel nauwkeurig achterhalen waar ze vandaan komen. En dat stelt ons in staat “om met gewone telescopen dat gebied aan de hemel af te speuren en hopelijk uit het zichtbare licht nog extra informatie te kunnen halen over het proces dat tot die golven heeft geleid,” zo schrijft Vonk. “We staan daarmee aan de wieg van een geheel nieuwe waarneemtechniek (…) Waar we met behulp van gewoon licht nooit iets zullen zien dat minder dan vijf horizonstralen van het zwarte gat af gebeurt, kunnen we met zwaartekrachtsgolven rechtstreeks naar het zwarte gat ‘zelf’ kijken. We krijgen informatie die op de horizon zelf ontstaat en juist daar worden zwarte gaten natuurlijk écht interessant.”

Zullen zwarte gaten dan uiteindelijk toch al hun geheimen prijsgeven? Vonk heeft goede hoop. “Mensen zijn creatief en inventief, dus ik denk het wel. Maar of dat over vijf, vijftig of vijfhonderd jaar zal zijn? Daar durf ik niets over te zeggen.”