Het is een vraag waarop je het antwoord nooit kunt bevestigen: wat bevindt zich binnen in een zwart gat? Via een omweg proberen fysici nu te spieken. Wat ze zien, kan weleens volstrekt anders zijn dan de theorieboeken voorspellen.
is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
Het binnenste van zwarte gaten kun je nooit met eigen ogen zien. Althans: niet als je leven je lief is. Wie in een zwart gat valt, wordt namelijk definitief verslonden. Voorbij de zogeheten waarneemhorizon, het point of no return, kan niets nog aan de groteske zwaartekracht van zo’n voorwerp ontsnappen. Zelfs het licht verdwijnt erin en komt nooit meer naar buiten – de reden dat zwarte gaten ‘zwart’ zijn.
Het lijkt daarom van een donquichotachtige waanzin om toch te willen weten wat zich binnen in zo’n zwart gat afspeelt. Of, om het meer filosofisch te stellen: als het deksel van een doos echt niet open kan, heeft het dan nog zin om te speculeren wat er in die doos zit?
Jazeker, oordeelt theoretisch natuurkundige Marcel Vonk van de Universiteit van Amsterdam. ‘Er bestaan verschillende manieren om aan kennis te komen. Wat je via logisch redeneren ontdekt, vind ik net zo mooi en waardevol als iets dat je met eigen ogen kunt zien’, zegt hij, en lacht. ‘Maar iemand die experimenten doet, zal wellicht iets heel anders zeggen dan een theoreticus als ik.’
Toch is Vonk niet de enige die er zo over denkt, blijkt uit een uitgebreid overzichtsartikel dat deze maand verscheen in het vakblad Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Daarin vatten ruim twintig fysici alle recente kennis én openstaande vragen samen over dat fundamentele, schier onbeantwoordbare mysterie: de vraag wat zich voorbij de horizon van een zwart gat bevindt.
‘Dit artikel kwam tot stand na een aantal discussies tussen de grootste experts op dit gebied, van theoretici tot fenomenologen en van junioronderzoekers tot gevestigde wetenschappers’, zei Stefano Liberati, een van de auteurs van het stuk, kort na publicatie in een persverklaring. Hij beschrijft hoe door de gesprekken de experts soms hun meningen en conclusies aanpasten – voldoende reden om dat alles nog eens samen te vatten in een vakartikel.
Om wat ze daarin zoal bespreken op waarde te schatten, eerst een stapje terug. Dat er überhaupt zoiets bestaat als een zwart gat, is een idee dat in een stroomversnelling raakte toen de Duitse fysicus Karl Schwarzschild in de jaren tien van de vorige eeuw ontdekte dat de algemene relativiteitstheorie van Einstein het mogelijk maakte dat er een voorwerp bestond met zo’n horizon, zo’n point of no return.
‘Dat is wat we doen in de theoretische natuurkunde: we zoeken naar geldige oplossingen van de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Een van die oplossingen bleek een zwart gat’, zegt Vonk, al kwam die naam, ‘zwart gat’, pas later.
In het binnenste, laten dezelfde vergelijkingen zien, gaat het wiskundig mis: ver voorbij de horizon loopt het begrip van de werkelijkheid spaak. ‘Er kwam onzin uit de vergelijkingen’, zegt Vonk. Het exacte punt waarop dat gebeurt, in het centrum van het zwarte gat, heet in vakkringen ‘de singulariteit’.
Toen de Britse fysici Stephen Hawking en Roger Penrose decennia later vaststelden dat alles dat een horizon had per definitie zo’n singulariteit moest bevatten, leek de kous af. Hoewel niemand het nooit met eigen ogen zou zien, ‘wisten’ fysici wat zich voorbij de horizon afspeelt.
Val in een zwart gat valt, zo was destijds het verhaal, en je stuit onherroepelijk op dat ene punt: een ding zo klein dat het geen echte afmeting heeft, maar waarin de dichtheid desondanks oneindig groot is. Een toestand zo onvoorstelbaar dat je net zo goed kunt zeggen dat de regels van de werkelijkheid zoals we die kennen bij de singulariteit effectief ophouden met bestaan.
Spoel door naar nu en fysici denken daar heel anders over. Sterker nog: de meesten van hen vermoeden dat een singulariteit in de natuur niet voorkomt, zo blijkt uit het overzicht van Liberati en collega’s. Het hele vakgebied is al langer doordrongen is van het feit dat er meer moet zijn dan alleen de relativiteitstheorie.
Zo kennen natuurkundigen ook de quantumfysica, die de wereld juist beschrijft op heel kleine schaal. Voor iets zo klein als een enkel punt kun je die theorie daarom niet negeren. Maar, lastig: niemand weet hoe je tegelijk de wiskunde van de algemene relativiteitstheorie én die van de quantumfysica toepast.
‘Zeker is: als je de singulariteit kwijt wilt, moet je de beschrijving van de natuur aanpassen. Relativiteit is dan niet meer voldoende, je moet er quantumfysica aan vastplakken’, zegt Vonk. En hoewel niemand nog weet hoe, heerst er toch vertrouwen dat de singulariteit dan uiteindelijk uit de natuurkundeboeken vertrekt.
Waar zwarte gaten ooit objecten waren uit de theorieboeken, zien fysici ze sinds enkele jaren ook in de praktijk. Dat heeft al zijn weerslag op hoe wetenschappers over deze voorwerpen nadenken, schrijven Liberati en collega’s.
Met hun meetinstrumenten vangen wetenschappers bijvoorbeeld zogeheten zwaartekrachtgolven op, trillingen van ruimte en tijd die ontstaan wanneer twee zwarte gaten diep in de kosmos op elkaar klappen. Zo ontdekten fysici zelfs onverwachte exemplaren met massa’s die niet passen in de heersende theorieën.
In 2019 maakten astronomen bovendien de allereerste afbeelding van een zwart gat, waarop zelfs al de eerste hints opduiken over hoe licht en materie zich rond de horizon gedragen.
‘In de praktijk konden we tot nog toe onvoldoende dicht bij een zwart gat komen om te zien hoe het er bij de horizon aan toegaat’, zegt Vonk.
Meer gedetailleerde metingen zullen straks uitkomst bieden. Zwarte gaten zonder singulariteit zijn nooit geheel identiek aan zwarte gaten mét singulariteit, zelfs niet buiten de horizon, stellen ook Liberati en collega’s. Waarnemingen die zulke regio’s in kaart brengen, kunnen ons dus ook indirect iets leren over hun interne structuur.
‘Het wiskundig gereedschap om op een nieuwe manier naar zwarte gaten te kijken begint volwassen te worden’, schrijven ze in hun artikel. ‘Nieuwe waarnemingen kunnen dan extreem nuttig zijn en ervoor zorgen dat theoretici het spoor niet bijster raken.’
Er liggen namelijk nogal wat opties op tafel. Want zelfs als het loopt als een eend en kwaakt als een eend, zo blijkt, is het misschien toch geen eend. Of, in dit geval: geen zwart gat.
Theoretisch natuurkundigen hebben de afgelopen jaren meerdere opties bedacht voor ‘exotische compacte objecten’, zoals ze in vakkringen heten: voorwerpen die zwarte gaten na-apen, maar die in werkelijkheid stiekem iets anders zijn. Zulke voorwerpen zijn meestal wel heel zwaar, met alle extreme gevolgen voor de zwaartekracht in hun omgeving van dien, maar ontberen een singulariteit en een horizon, het point of no return waar voorbij je aan een echt zwart gat nooit meer kunt ontsnappen.
De menukaart voor zulke na-apers is behoorlijk uitgebreid, schrijven de onderzoekers. Prominent op de lijst prijken bosonensterren, die zijn opgebouwd uit een andere klasse van deeltjes – zogeheten bosonen – dan gewone sterren.
Dan zijn er bizarre voorwerpen als ‘zwarte schillen’, ultrasterk samengeperste materieschillen die de omgeving met hun zwaartekracht flink verstoren, of zogeheten vacuümsterren, objecten met een schil exotische materie op hun horizon. Denk aan fuzzballs, een samengebalde kluwen snaren in meerdere dimensies, afkomstig uit de wiskunde van de snaartheorie, of aan de in sciencefictionkringen populaire wormgaten, waarbij een extreem compact object een opening maakt in het weefsel van ruimte en tijd, een opening die via een soort tunnel leidt naar andere delen van het heelal.
Voor al die exotische opties geldt: bestaan doen ze alleen nog op papier, als wiskundige oplossingen van onze natuurwetten. Niemand heeft ze ooit met eigen ogen gezien. Ze hebben, met andere woorden, precies de status die zwarte gaten ooit hadden, totdat fysici er plots onder meer foto’s van gingen maken.
Zo kan het ook gaan met een deel van deze objecten. Wellicht dat een deel van de zwaartekrachtgolven waarvan fysici nu denken dat ze afkomstig zijn van botsende zwarte gaten, in werkelijkheid de echo’s vormen van bijvoorbeeld botsende bosonensterren, iets dat vanzelf blijkt zodra je in meer detail kunt kijken.
Betere foto’s van zwarte gaten zouden bijvoorbeeld best eens op onverwachte details kunnen stuiten van hoe het licht rond zo’n voorwerp buigt. Echt onverwachte patronen kunnen dan duiden op een na-aper, in plaats van een werkelijk zwart gat. ‘Al ligt dat bij de superzware exemplaren die nu op de foto zijn gezet niet voor de hand – dat moeten haast wel echte zwarte gaten zijn’, zegt Vonk.
Hoe dan ook herbergt de kosmos nog de nodige geheimen, denkt ook hij. ‘Uiteindelijk zullen waarnemingen aan dit soort objecten, net als de theoretische zoektocht naar een antwoord op de vraag wat zich binnen in zwarte gaten bevindt, ons iets leren over hoe de natuur écht in elkaar steekt.’
Veel meer dan de vraag wat er nu precies gebeurt wanneer een hypothetisch persoon in een zwart gat valt, een object waarvan het dichtstbijzijnde bekende exemplaar met een afstand van 1.000 lichtjaar nou niet bepaald in de buurt ligt, bepaalt dát de ware waarde van dit soort onderzoek. Zelfs als het op het eerste gezicht wellicht oogt als een wetenschappelijke variant van Don Quichots gevecht tegen de windmolens.
Ondertussen in de kosmos, de wetenschapspodcast van de Volkskrant, gaat 5 juni het theater in! Bij deze liveopname buigt de redactie zich over de vraag: hoe word ik gelukkig(er)? Zet je schrap voor een spoedcursus geluksonderzoek, ontdekkingen over wat afslankmedicijnen doen met lichaam en geest, een les kosmisch relativeren en een bijzonder publieksexperiment van hoogleraar en Volkskrant-columnist Ionica Smeets.
Donderdag 5 juni, theater Delamar, Amsterdam
De laatste kaarten zijn hier te verkrijgen.
Luister hieronder naar onze wetenschapspodcast Ondertussen in de kosmos. Kijk voor al onze podcasts op volkskrant.nl/podcasts.
Alles over wetenschap vindt u hier.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant