Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In de rubriek Far Out elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: kunnen we zwarte gaten tóch zien verdwijnen?

Het beeld dat we van een zwart gat hebben, is dat van een kosmisch doucheputje waar je maar beter bij uit de buurt kunt blijven: alles wat erin verdwijnt, komt er nooit meer uit. Het lijkt dan een logische gedachte dat een zwart gat alleen maar kan groeien. Dat klopt echter niet, stelde de beroemde natuurkundige Stephen Hawking in de jaren zeventig: zwarte gaten kunnen ook verdampen door straling uit te zenden – straling die we nu hawkingstraling noemen.

Aan de ene kant nemen de meeste fysici aan dat Hawking het daarmee bij het rechte eind had. Aan de andere kant hebben we nog nooit hawkingstraling waargenomen. Het lijkt er zelfs op dat het nog onvoorstelbaar lang zal duren voordat dat wél een mogelijkheid zal zijn. Tot die tijd blijft het dus een aanname, niet gestaafd door experimenteel bewijs.

Maar misschien is er toch een uitweg. Als twee grote zwarte gaten samengaan, zouden namelijk in de omgeving allemaal kleine zwarte gaatjes kunnen opduiken, stellen theoretisch natuurkundige Giacomo Cacciapaglia van de Claude Bernard-universiteit in het Franse Lyon en collega’s. En die kleine gaatjes kunnen we met onze huidige telescopen misschien daadwerkelijk zien verdampen.

Meer van Far Out:

• Zit er een oeroud zwart gat in het binnenste van de zon?
• Zijn er misschien toch deeltjes sneller dan het licht?
• Nieuwe theorie: alles in het heelal verdampt langzaam – ook mensen

Extreem koud

Hawking zelf omschreef het principe achter hawkingstraling als volgt. Overal in de ruimte ploppen continu koppels van deeltjes en antideeltjes tevoorschijn. Normaal gesproken vernietigen die elkaar ook meteen weer. Maar bij een zwart gat kan het gebeuren dat een van die twee kersverse deeltjes het gat in valt, terwijl het andere het heelal in ontsnapt. Dat ontsnappende deeltje kun je dan zien als een deeltje uitgezonden door het zwarte gat. En samen vormen zulke deeltjes een vorm van straling waardoor het zwarte gat steeds lichter wordt en uiteindelijk zelfs verdwijnt.

Probleem is dat dit proces alleen werkt als het omringende heelal kouder is dan het zwarte gat zelf. Zo niet, legt Cacciapaglia uit, “dan absorbeert het zwarte gat meer energie dan het uitzendt” en krimpt het dus niet. Om hawkingstraling daadwerkelijk waar te kunnen nemen, zullen we dus moeten wachten tot het heelal is afgekoeld tot een temperatuur lager dan die van een zwart gat. En aangezien zwarte gaten extreem koud zijn, zegt Cacciapaglia, “zal dat nog vele malen de huidige levensduur van het universum duren”.

Tenminste… als we het hebben over de zwarte gaten die overblijven wanneer zware sterren aan het eind van hun bestaan zijn ontploft als supernova. Hoe lichter een zwart gat, hoe hoger diens temperatuur, en hoe eerder het omringende heelal dus genoeg is afgekoeld om het te laten beginnen met stralen. Maak je een zwart gat maar licht genoeg, dan zou het dus nú al kunnen verdampen.

Nieuwe deeltjes

Voor zover we weten, zijn er geen ontploffende sterren die zulke lichte gaten achter laten. Wel zouden ze kunnen opduiken als twee ‘gewone’ zwarte gaten samengaan. Daarbij kan namelijk de omringende ruimte zó verstoord raken, vertelt Cacciapaglia, dat daar spontaan zogenoemde black hole morsels in kunnen ontstaan; letterlijk vertaald zwarte-gaten-hapjes. En die zijn klein en dus heet genoeg om wél binnen afzienbare tijd te verdampen.

Een deel van de hawkingstraling van deze hapjes bereikt vervolgens de aarde in de vorm van gammastraling, oftewel: licht met een extreem korte golflengte. En verspreid over het aardoppervlak staan verschillende telescopen die dat soort straling kunnen waarnemen: HESS in Namibië, HAWC in Mexico en LHAASO in China.

Zouden die daar inderdaad in slagen, dan zou dat groot nieuws zijn. Sowieso weten we dan eindelijk dat Hawking inderdaad gelijk had en dat zwarte gaten dus verdampen. Bovendien zouden we op die manier tekenen kunnen zien van nieuwe, nog niet ontdekte deeltjes. Want, zo legt Cacciapaglia uit: “Als er in het vacuüm meer soorten deeltjes kunnen ontstaan, zal een zwart gat sneller verdampen dan je zou verwachten als alleen de deeltjes die we nu kennen bestaan.”

Kosmisch borrelgarnituur

De vraag is wel hoe zo’n verzameling zwarte-gaten-hapjes er precies uitziet. Het team gaat er bij hun simulaties voor het gemak maar van uit dat die allemaal precies dezelfde massa zullen hebben; als identieke bitterballen dus. Lekker overzichtelijk, maar het lijkt waarschijnlijker dat dit kosmische borrelgarnituur bestaat uit een bonte verzameling van lichte en zwaardere gaatjes, die elk in hun eigen tempo verdampen.

Badri Krishnan, hoogleraar hoge-energiefysica aan de Radboud Universiteit in Nijmegen, trekt in een nieuwsbericht op de website Advanced Science News zelfs het hele verschijnsel in twijfel. “Naar mijn mening is er geen realistische theorie die de vorming van zulke ‘hapjes’ toelaat en is het vrij onwaarschijnlijk dat ze bestaan”, zegt hij. Heeft Krishnan daar gelijk in, dan hebben we met deze black hole morsels dus geen verschijnsel in handen waarmee we die hawkingstraling met onze huidige telescopen al kunnen meten. Zullen we toch een paar gaziljoen jaar extra geduld moeten hebben.

Deze Far Out staat ook in KIJK 9/2024. Bestel deze editie in onze webshop, of eenvoudig via de knop hieronder!