Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: twee sterrenkundigen maken een exotisch alternatief voor zwarte gaten nóg exotischer.

Als een zware ster in elkaar klapt, krijg je een zwart gat. Tenminste, dat is wat het overgrote deel van de natuur- en sterrenkundigen je zal vertellen. Maar een dikke twintig jaar geleden bedachten twee fysici een ingenieus alternatief. Misschien zijn zwarte gaten in werkelijkheid zogenoemde gravastars, stelden ze: objecten die er van een afstandje hetzelfde uitzien, maar die nét wat minder problematisch in elkaar zitten.

Ingenieus of niet: tot op de dag van vandaag is er geen snippertje bewijs gevonden voor de stelling dat alle – of sommige – zwarte gaten stiekem gravastars zijn. Toch weerhield dat astrofysici Daniel Jampolski en Luciano Rezzolla van de Goethe-universiteit in Frankfurt er niet van om, in hun eigen woorden, “nog een stapje verder te speculeren”. In een recent wetenschappelijk artikel storten ze zich namelijk op een nóg exotischere mogelijkheid: dat een gravastar zich ín een andere gravastar bevindt. Wat heet: ze wijden zelfs berekeningen aan een willekeurig aantal gravastars die als matroesjka-poppen om elkaar heen zitten.

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?

Wat is een gravastar?

Maar wat ís dan zo’n gravastar? In de oorspronkelijke vorm, voorgesteld door Pawel Mazur en Emil Mottola in 2001, gaat het om een dunne schil materie die een bolletje donkere energie omhult. Die donkere energie kennen we vooral als het mysterieuze verschijnsel dat het heelal steeds sneller laat uitdijen. In zo’n gravastar brengt het juist evenwicht: de zwaartekracht zorgt ervoor dat de schil materie naar binnen toe valt, de donkere energie zorgt ervoor dat dat binnenste juist naar buiten drukt. En dat levert een soort kosmische kerstbal op, als alternatief voor een zwart gat.

Problemen de wereld uit helpen

De reden om gravastars naar voren te schuiven, is dat zwarte gaten in de basis nogal rare dingen zijn. Ten eerste valt alle materie in zo’n gat onherroepelijk naar het midden toe. Daar zou dan een punt moeten ontstaan met een oneindig hoge dichtheid: een zogenoemde singulariteit. “Maar weinig natuurkundigen geloven dat singulariteiten echt bestaan”, zegt Jampolski daarover. In plaats daarvan zou er dan in het binnenste van een zwart gat iets anders moeten gebeuren – maar wát, dat is met onze huidige natuurkundige theorieën niet te zeggen.

Ten tweede zit rond een zwart gat de zogenoemde waarnemingshorizon. Alles wat die grens passeert, valt het gat in en kan er op geen enkele manier ooit uit komen. Ook dat is problematisch, want dat zou betekenen dat een zwart gat de informatie vernietigt die hoort bij alles wat erin valt. En dat kan helemaal niet volgens onze huidige theorie van het allerkleinste, de quantummechanica.

Neem je aan dat zwarte gaten eigenlijk gravastars zijn, dan help je beide problemen de wereld uit. Een gravastar heeft geen singulariteit in zijn binnenste én geen horizon aan de buitenkant. En daarmee mist zo’n object precies die eigenschappen van zwarte gaten waar natuurkundigen zich al decennialang geen raad mee weten.

Daar staat tegenover, zegt theoretisch natuurkundige Béatrice Bonga van de Radboud Universiteit, dat we nog steeds niet begrijpen hoe zo’n gravastar kan ontstaan. “Voor zwarte gaten hebben we computermodellen die laten zien hoe ze vormen, voor gravastars niet.” Ook heeft ze zelf laten zien dat het leeuwendeel van de gravastars bij het minste of geringste uit elkaar spat of alsnog verandert in een zwart gat. “Terwijl je zou willen dat ze, net als zwarte gaten, miljoenen jaren blijven bestaan.”

Nestars hebben oneindig veel laagjes – als een ui

Niet gehinderd door zulke bezwaren gaan Jampolski en Rezzolla in hun artikel nog een stap verder, door te laten zien dat je ook een geneste gravastar zou kunnen hebben – of, zoals zij het noemen, een nestar. Dat wil zeggen: een gravastar met daaromheen nóg een gravastar. Je krijgt dan een soort ui: een bolletje donkere energie, omhuld door een laag materie, omhuld door een laag donkere energie, omhuld door een laag materie.

“Verder dachten we: waarom zouden we het bij twee geneste gravastars houden, als je er oneindig veel meer kunt hebben”, zegt Jampolski. Dus behandelen ze in hun artikel ook nestars met een willekeurig aantal laagjes. “In zekere zin zijn die te vergelijken met normale sterren; die bestaan ook uit een heleboel verschillende laagjes.”

Bonga gaat dat allemaal wat ver. “Voor zover ik kan zien, zijn de berekeningen van Jampolski en Rezzolla solide, maar de motivatie om over dit soort objecten na te denken vind ik minder solide.” Als in: zolang we geen enkele indicatie hebben dat ‘gewone’ gravastars daadwerkelijk bestaan, heeft het wat haar betreft weinig zin om te gaan rekenen aan allerlei varianten daarop.

Aan de andere kant: voor de onderwerpen die we in deze rubriek behandelen, geldt juist ‘hoe maffer, hoe liever’. Dus als het Jampolski en Rezzolla erom te doen was een plekje in Far Out te veroveren, dan hadden ze geen beter onderwerp kunnen verzinnen.

Jean-Paul Keulen is wetenschapsjournalist gespecialiseerd in natuur- en sterrenkunde. Voor deze rubriek raadpleegde hij onder meer de volgende literatuur: Daniel Jampolski en Luciano Rezzolla: Nested Solutions of Gravitational Condensate Stars, Classical and Quantum Gravity (15 februari 2024).

Deze Far Out staat ook in KIJK 6-7/2024. Bestel deze editie in onze webshop, of eenvoudig via de knop hieronder!