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: waren er vlak na de oerknal exotische objecten die hun stempel drukten op de rest van het heelal?
Als er één ding is dat we weten van zwarte gaten, is het dat ze zwart zijn, zou je zeggen. Toch geldt dat mogelijk niet voor alle exemplaren, als we MIT-natuurkundigen Elba Alonso-Monsalve en David Kaiser mogen geloven. Volgens hen waren er, in het heel vroege heelal, ook zwarte gaten met kleur.
Oké, dan hebben we het niet over gaten die letterlijk rood, groen of blauw waren. Met het woord kleur bedoelen deeltjesfysici iets heel anders dan ‘normale’ mensen. Toch zouden zwarte gaten met een kleur in de deeltjesfysica-betekenis óók heel bijzonder zijn. Bovendien hadden ze volgens Alonso-Monsalve en Kaiser mogelijk meetbare invloeden op de rest van het heelal.
Meer Far Out:
Soep van quarks
Maar wat bedoelen deeltjesfysici dan wél met het woord kleur, als het niet, nou ja, kleur is? Materie is op het kleinste niveau opgebouwd uit deeltjes genaamd quarks. Die quarks hebben een eigenschap die drie verschillende waardes kan hebben – en begin jaren zeventig leek het Nobelprijswinnaar Murray Gell-Mann handig om die eigenschap ‘kleur’ te noemen, en die drie waardes ‘rood’, ‘groen’ en ‘blauw’.
De grap is daarbij dat je die kleuren nooit los aantreft. Quarks vormen altijd groepjes die samen kleurloos zijn. Zo’n kleurloze combi krijg je bijvoorbeeld als je één rode, één groene en één blauwe quark bij elkaar stopt – een beetje zoals je wit licht krijgt als je licht van alle andere kleuren samenvoegt.
Maar in het vroege heelal was dat anders. Tot een honderdduizendste van een seconde na de oerknal bestond het universum uit een soep van losse quarks en andere gekleurde deeltjes genaamd gluonen. En uit die soep zouden dan ook zwarte gaten kunnen zijn ontstaan met een kleurtje.
We hebben het dan alleen niet over het soort zwarte gaten dat je overhoudt als een zware ster door zijn brandstof heen is en ontploft als supernova. Dit zijn zogenoemde oer-zwarte-gaten, die kort na de oerknal ontstonden doordat alle deeltjes in een bepaald gebied door de zwaartekracht naar elkaar toe bewogen.
In principe moeten al die oer-zwarte-gaten zijn gevormd in de tijd dat het heelal nog bestond uit losse quarks en gluonen. Toch zal het gemiddelde zwarte gat van dit type geen netto kleur hebben gehad. Als je als gat-in-wording een enorme hoeveelheid blauwe, groene en rode quarks opslokt, heb je van elke kleur evenveel en ben je alsnog kleurloos.
Maar naast die gemiddelde oer-zwarte-gaten (die ongeveer zo zwaar waren als een planetoïde) ontstond ook een kleine hoeveelheid heel lichte oer-zwarte gaten (ongeveer zo zwaar als een neushoorn). En daarvoor geldt een ander verhaal, legt Kaiser uit. “Er waren gebieden in het heelal waar alle deeltjes voornamelijk dezelfde kleur hadden als hun buren. Kleinere oer-zwarte gaten zouden dan zijn ontstaan uit een of twee van dat soort gebieden met een bepaalde kleur, en dus zelf óók een kleur hebben gehad.”
Gewelddadig proces
Die gaatjes met een kleurtje zijn inmiddels allang verdwenen. Voor zwarte gaten geldt namelijk de regel ‘hoe lichter ze zijn, hoe sneller ze verdampen’ – en dit waren héél lichte exemplaren. Hoelang die precies konden bestaan, is niet helemaal duidelijk, maar volgens Kaiser waren ze waarschijnlijk na minder dan een seconde alweer weg.
Dat klinkt misschien als een bizar korte levensduur – maar het betekent wel dat ze er nog waren nadat het heelal was overgegaan van een heelal vol gekleurde deeltjes naar het heelal waar wij in leven, dat wordt bevolkt door deeltjes zónder netto kleur. Als de laatste overlevenden van een kleurrijk verleden in een zwart-witte wereld.
In de korte tijd die deze gaatjes vervolgens restte, kunnen ze hun stempel hebben gedrukt op ons universum. Ze waren er namelijk misschien nog net toen de eerste scheikundige elementen ontstonden. In dat geval zouden ze dat proces hebben verstoord met de deeltjes die ze zelf, al verdampende, uitstraalden. “We willen nu berekenen wat dat proces zou betekenen voor de hoeveelheden van de verschillende elementen die ontstonden”, zegt Kaiser. Vervolgens kun je dan kijken waar de meest precieze metingen van die elementen het beste mee stroken: met een vroeg heelal zonder, of een vroeg heelal met gekleurde gaatjes.
“Het is inderdaad moeilijk voor te stellen dat deze objecten, als ze er toen nog waren, géén invloed zouden hebben op de vorming van de eerste elementen”, zegt Djuna Croon van de Universiteit van Durham. Zij denkt alleen dat het onwaarschijnlijk is dat eventuele gekleurde zwarte gaten daar lang genoeg voor hebben kunnen overleven.
Een ander mogelijk meetbaar effect, volgens Kaiser: nadat de losse gekleurde deeltjes uit het vroege heelal waren samengeklonterd tot kleurloze combinaties, ‘mochten’ de gekleurde gaten niet als enige gekleurd blijven. Het was alsof er een nieuwe natuurwet werd afgekondigd: vanaf nu moet álles in het heelal kleurloos zijn. De gekleurde gaten zouden daar dan aan hebben voldaan door zich ‘aan te kleden’ met deeltjes uit hun omgeving. Een groen gat zou dan bijvoorbeeld rode en blauwe deeltjes naar zich toe hebben getrokken. “Dat proces is waarschijnlijk zó gewelddadig verlopen, dat er zwaartekrachtgolven bij zijn ontstaan – rimpelingen in de ruimtetijd zelf”, zegt Kaiser. En nee, die golven kunnen we niet zien met de huidige experimenten, maar misschien wel met hun opvolgers.
In de tussentijd blijven Kaiser en Alonso-Monsalve enthousiast doorrekenen aan hun gekleurde gaten. Om te zien of ze, in hun korte, maar kleurrijke bestaan, ook op andere manieren invloed kunnen hebben gehad op het kleurloze heelal dat we nu om ons heen zien.
Jean-Paul Keulen is wetenschapsjournalist gespecialiseerd in natuur- en sterrenkunde. Voor deze rubriek raadpleegde hij onder meer de volgende literatuur: Elba Alonso-Monsalve en David Kaiser: Primordial Black Holes with QCD Color Charge, Physical Review Letters.
Deze Far Out staat ook in KIJK 11-12/2024.