Met behulp van rimpelingen in ruimte en tijd – zogeheten zwaartekrachtsgolven – hebben onderzoekers eindelijk Stephen Hawkings idee over zwarte gaten bevestigd. ‘Dit is hoopgevend.’
is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
Wetenschappers hebben een cruciale stap gezet in het menselijk begrip van zwarte gaten, en daarmee van de fundamentele werkelijkheid. Woensdag schrijven duizenden fysici – hun artikel opent met vijf pagina’s vol auteursnamen in kleine lettertjes – in het toonaangevende vakblad Physical Review Letters dat ze eindelijk hebben bevestigd dat zwarte gaten inderdaad altijd groeien, een idee dat wetenschappers ook wel Stephen Hawkings ‘oppervlaktetheorema’ voor zwarte gaten noemen.
De meting werd gedaan met zwaartekrachtsgolven, trillingen in het weefsel van ruimte en tijd dat het heelal opspant. Zulke rimpelingen ontstaan bijvoorbeeld wanneer twee zwarte gaten diep in de kosmos om elkaar heen draaien en uiteindelijk botsen, zo ook in dit geval.
Zwarte gaten ontstaan uit stervende zware sterren, waarvan de overblijfselen tijdens hun gewelddadige dood in een zogeheten supernova-explosie worden samengeperst tot extreme dichtheid. Wat resteert is een voorwerp met een zo grote aantrekkingskracht dat niets voorbij de zogeheten horizon nog aan zijn grip kan ontsnappen. Zelfs het licht niet.
De eerste meting van zwaartekrachtsgolven in 2015 werd wereldnieuws, mede omdat die meting en passant het gelijk van de beroemde natuurkundige Albert Einstein bewees. Hij had het bestaan van zulke golven honderd jaar eerder al voorspeld op basis van de wiskunde van zijn algemene relativiteitstheorie. Een jaar later wonnen drie van de grondleggers van zwaartekrachtsgolfdetector Ligo, die de metingen had verricht, de Nobelprijs voor de natuurkunde.
Nu, zo’n tien jaar na die eerste meting, bevestigt datzelfde instrument ook een belangrijke voorspelling van een tweede grootheid uit het vak: de in 2018 overleden theoretisch natuurkundige Stephen Hawking.
Hawking noteerde al in de jaren zeventig dat zwarte gaten altijd groter moeten groeien. Omdat hun binnenste al de maximale hoeveelheid materie bevat die moeder natuur in een volume toestaat, past er niks meer ‘bij’. Valt iets het zwarte gat in – of het nu een enkel stofdeeltje is, of een reusachtige ster – dan moet het zwarte gat dus groter groeien. Ruim een halve eeuw later hebben fysici dat principe nu daadwerkelijk in actie gezien.
Twee zwaartekrachtgolfdetectoren van Ligo, gelegen in de Amerikaanse staten Washington en Louisiana, vingen op 14 januari 2025 de trillingen op van een klap die 1,3 miljard jaar eerder diep in de kosmos had plaatsgevonden. De lange armen van de detector registreerden de minieme vervormingen van ruimte en tijd die op die dag door de aarde trokken, en het bijbehorende signaal ging de boeken in voor nadere analyse.
Dat signaal, ‘GW250114’, is een van de honderden bostingen die Ligo samen met zijn Europese tegenhanger Virgo en de Japanse detector Kagra het afgelopen decennium opvingen, maar bleek al snel bijzonder. ‘GW250114’ was namelijk uitzonderlijk krachtig, grofweg zo krachtig als de allereerste detectie tien jaar geleden. Wel was er één belangrijk verschil: in het afgelopen decennium waren de instrumenten veel beter geworden, zodat fysici uit deze meting voor het eerst voldoende informatie konden halen om Hawkings theorie te controleren.
‘Heel belangrijk’, oordeelt mathematisch fysicus Marcel Vonk van de Universiteit van Amsterdam, zelf niet bij het onderzoek betrokken. ‘Al het moderne werk op het gebied van zwaartekracht en zwarte gaten begint bij het werk van Hawking. Dus het is fijn dat deze meting overeenkomt met zijn voorspelling.’
Je zou het inzicht van Hawking uit de jaren zeventig kunnen zien als het onderste blokje in een jenga-toren vol verse ideeën die theoretici er de afgelopen decennia bovenop hebben gebouwd, zegt hij. ‘Als ze hier hadden gezien dat de oppervlakte kleiner was geworden, hadden we eerst gedacht: oké, dit experiment zal wel fout zijn gegaan. Maar als het écht zo was geweest, hadden we een enorm probleem gehad. Dan was het bouwwerk ingestort.’
De fysici noteerden in hun vakartikel dat het gemeten signaal afkomstig moest zijn van de botsing tussen twee zwarte gaten, met dertig tot veertig maal de massa van de zon. Samen hadden die voor de botsing een horizon met een oppervlakte van 240 duizend vierkante kilometer, grofweg het formaat van het Verenigd Koninkrijk. Na de botsing was de horizon van het samengesmolten zwarte gat zo’n 400 duizend vierkante kilometer groot, net iets kleiner dan Zweden.
Een heranalyse uit 2021 van de allereerste botsing uit 2015 had overigens eerder al gesuggereerd dat Hawkings idee klopte. Maar omdat die meting minder gedetailleerd was, kon men dat toen ‘slechts’ met een zekerheid van 95 procent zeggen, te weinig naar natuurkundige maatstaven. Omdat de nieuwe instrumenten alles dat voor de berekening nodig is veel nauwkeuriger kunnen waarnemen, is die zekerheid nu verhoogd naar 99,999 procent.
‘Een verbetering die echt te danken is aan het harde werk van alle mensen die aan de detectors werken en die betere technologieën hebben bedacht’, zegt Chris van den Broeck van het Nederlandse onderzoeksinstituut Nikhef en de Universiteit Utrecht, een van de auteurs van het woensdag verschenen artikel.
Al sinds de meting van het eerste zwaartekrachtgolfsignaal in 2015 is de belofte dat dit soort detectoren ook ons begrip van de werkelijkheid zullen verdiepen. ‘Dit is daarvan tot nog toe het spectaculairste voorbeeld’, zegt Van den Broeck.
Vonk benadrukt dat het voor theoretici zoals hij van groot belang is dat hun aannames door waarnemingen worden gestaafd. ‘Anders doe je maar wat. Nu weten we weer iets zekerder dat de basis klopt. Dat is hoopgevend.’
Wel houdt hij een kleine slag om de arm. ‘Dit is maar één meting. Heel belangrijk, maar je durft pas zeker te zeggen ‘er zijn écht geen uitzonderingen mogelijk’ als je duizenden van dit soort botsingen hebt gezien.’
Fysicus Kip Thorne, een van de drie Nobelprijswinaars uit 2017, herinnert zich dat Hawking hem kort na de meting in 2015 al vroeg of Ligo in staat zou zijn om zijn oppervlaktetheorie te bevestigen, zo zegt hij in een persverklaring. ‘Als Hawking nog geleefd had, zou hij ervan genoten hebben om het oppervlak van de samengesmolten zwarte gaten te zien groeien.’
Met de meting schuifelen wetenschappers tegelijk ook dichter richting de heilige graal uit de moderne natuurkunde: het aan elkaar lijmen van Einsteins relativiteitstheorie en de quantumtheorie, die de werkelijkheid beschrijft op de schaal van deeltjes.
Tot nog toe passen die theorieën slecht op elkaar, en dat is de reden dat fysici op zoek zijn naar een overkoepelende theorie die beide effectief vervangt. Opties daarvoor zijn er wel, maar niemand weet nog of deze kloppen. Dit soort metingen aan zwarte gaten bieden nu een kans om daar achter te komen.
De populairste kandidaat voor een overkoepelende theorie, de zogeheten snaartheorie, stelt bijvoorbeeld dat er voorwerpen kunnen bestaan die sterk lijken op een zwart gat, maar dan zonder horizon, het point of no return waar voorbij niets nog aan zijn aantrekkingskracht kan ontsnappen.
‘Fuzzballs’ worden zulke objecten ook wel genoemd. En dat is maar één van de (vele) exotische opties op de speculatieve menukaart van theoretici: van ‘bosonensterren’ en ‘donkeremateriesterren’ tot ‘vacuümsterren’, de lijst staat vol mysterieus klinkende zaken, elk behorend bij een andere esoterische herinterpretatie van onze natuurwetten. Geen van alle zijn ooit in het echt door iemand waargenomen.
En dus besloten de onderzoekers ook bij dit signaal alvast te kijken of ze bewijs konden vinden dat ze hier te maken zouden hebben met zo’n bizar hemellichaam. ‘Als je een heel compact object hebt zonder horizon, verwacht je dat je niet alleen de zwaartekrachtgolven kunt meten die vanaf dat object naar buiten bewegen, maar ook de golven die het voorwerp ín bewegen’, zegt Van den Broeck.
Analoog aan iemand die in een put schreeuwt, stuiteren die zwaartekrachtsgolven dan ook weer naar buiten. ‘Dat zou moeten zorgen voor echo’s’, zegt hij. ‘Maar daarvan hebben we bij dit signaal geen bewijs gezien. We verwachten dat we de volgende generatie zwaartekrachtgolfdetectoren nodig hebben zoals de Einstein Telescope, die mogelijk gebouwd zal worden in het Nederlands-Belgisch-Duitse grensgebied, om dat echt te kunnen zien.’
De botsende zwarte gaten hebben voor zover nu zichtbaar is in elk geval alle eigenschappen van ‘gewone’ exemplaren, concluderen de onderzoekers in hun artikel. ‘Al zegt dat natuurlijk niets over of de vraag of die exotische opties niet toch ergens bestaan’, zegt Vonk.
Overigens verwacht Van den Broeck dat de meting van GW250114 op korte termijn voor meer nieuwe inzichten zal zorgen. ‘Met dit signaal kun je absoluut meer van de huidige theorieën over zwarte gaten bewijzen of ontkrachten. Ons artikel hint daar zelfs al een beetje naar. Ik zou zeggen: wacht maar even af.’
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