We hebben ze nog nooit gezien: zwarte gaten die met de hoogst haalbare snelheid om hun as tollen. Maar misschien bieden zwaartekrachtsgolven eindelijk uitkomst.

Terwijl het grote publiek Interstellar alweer een beetje is vergeten, is de sciencefictionfilm nog steeds een inspiratiebron voor wetenschappers. Zoals de Amerikaanse natuurkundigen Samuel Gralla, Scott Hughes en Niels Warburton. Onlangs plaatsten ze een artikel online met de titel ‘Inspirals into Gargantua’, een verwijzing naar het enorme zwarte gat dat een cruciale rol speelt in de blockbuster. Stel dat een zwart gat van dit type echt zou bestaan in ons heelal, zo vragen ze zich af. Kunnen we dat dan waarnemen?

Maximumsnelheid

Nu is Gargantua zelfs in de exotische wereld van zwarte gaten een geval apart. De eis van Interstellar-regisseur Christopher Nolan was dat rond dit zwarte gat een planeet zou cirkelen waar in één uur tijd zeven jaar op aarde voorbij gaat. Nu klopt het op zich dat de tijd trager verloopt bij hoge zwaartekracht, maar het tijdsverschil dat Nolan wilde, was wel erg extreem. De enige manier waarop de wetenschappelijk adviseur, natuurkundige Kip Thorne, dat voor elkaar kon krijgen, was door het zwarte gat extreem snel om zijn as te laten draaien.

Probleem is alleen dat tollende zwarte gaten zijn gebonden aan een maximumsnelheid. Gaan ze nóg sneller, dan krijg je iets waarvan natuurkundigen denken dat het niet kan bestaan. In het midden van een zwart gat bevindt zich namelijk de zogenoemde singulariteit; het punt waarin alle massa van het gat zit samengebald. Normaal gesproken wordt dat punt aan het zicht onttrokken door de horizon van het zwarte gat; de grens die je vooral niet moet passeren, want als je er voorbij bent, kun je nooit meer terug.

Maar een zwart gat dat harder tolt dan de maximumsnelheid verliest die hele horizon. Gevolg: je krijgt een heel raar gat met een ‘naakte singulariteit’; een observeerbaar punt waar de omstandigheden zo extreem zijn, dat onze natuurwetten niet meer opgaan. En veel fysici nemen aan dat zoiets niet kan voorkomen in ons heelal.

Los daarvan lijkt zo’n al te snel tollend gat ook praktisch niet haalbaar. Een zwart gat in de buurt van de maximumsnelheid kan maar heel moeilijk nóg meer versnellen en heel makkelijk vertragen, zo berekende Thorne zelf al in de jaren zeventig.

In de natuur

In de film gaat Gargantua gelukkig niet sneller dan de maximumsnelheid – dat zou Thorne al te zeer tegen de borst hebben gestuit – maar hij zit wel op 99,999999999999 procent van dat maximum. En ook dát is nooit vertoond. Alle roterende zwarte gaten die tot nu toe zijn gevonden, gaan niet sneller dan 99,8 procent van het maximum.

“Maar hoewel niet wordt verwacht dat dit soort zwarte gaten bestaan,” schrijven Gralla, Hughes en Warburton, “is het toch erg de moeite waard om ernaar op zoek te gaan.” Dit soort zwarte gaten duiken namelijk, ondanks hun bedenkelijke status, wel degelijk op in heel wat wetenschappelijke teksten. “Het zou absoluut fascinerend zijn om er dan één in de natuur te ontdekken”, aldus het trio.

Karakteristieke vorm

Maar hoe vind je dat soort zwarte gaten dan? Daar hebben we gelukkig sinds kort een middel voor: zwaartekrachtsgolven. Dat zijn, zo kon je al lezen in KIJK 5/2016, rimpelingen in de ruimte die bijvoorbeeld ontstaan wanneer twee zwarte gaten samengaan, of wanneer een lichter object naar een zwart gat toe beweegt en er vervolgens in belandt.

Hebben we het daarbij over normale zwarte gaten, dan hebben die zwaartekrachtsgolven een karakteristieke vorm. Naarmate beide objecten dichter bij elkaar komen, worden er steeds sterkere zwaartekrachtsgolven uitgezonden met een steeds grotere frequentie. Tenminste, tot het moment van samensmelting: dan gaat het signaal abrupt naar nul.

Hebben we het daarentegen over een supersnel rondtollend gat, dan gebeurt er iets anders. De zwaartekrachtsgolven worden in eerste instantie steeds sterker, maar zwakken vanaf een bepaald moment geleidelijk af. Daarbij blijft de frequentie hangen op een bepaalde waarde, zo becijferen Gralla, Hughes en Warburton. Oftewel: de zwaartekrachtgolven van een rondtollend zwart gat zijn anders dan de golven die worden uitgezonden door een ‘gewoon’ zwart gat.

Geen twijfel mogelijk

Vraag is dan of we dit verschil ook kunnen waarnemen. Het antwoord is ja, zij het met wat reserves, stellen Gralla, Hughes en Warburton. Gaat het om zwarte gaten die enkele tientallen keren zoveel wegen als onze zon, dan kun je terecht bij detectors op aarde, zoals LIGO in de VS en Virgo in Italië. In dat geval ben je alleen niet helemáál zeker van je zaak. Je zou het signaal van een rondtollend gat waar iets invalt nog kunnen verwarren met een gewoon gat dat ‘natrilt’ na een samensmelting.

Toch, zo laat natuurkundige Chris Van Den Broeck (Nikhef) weten, is voor de paar samensmeltende zwarte gaten die tot nu toe zijn waargenomen via zwaartekrachtsgolven al een poging gedaan om de draaisnelheid vast te stellen. “We zijn niet zo goed in het meten van de snelheid van de individuele zwarte gaten die gaan samensmelten”, zegt Van Den Broeck. “Maar we hebben wel met redelijke nauwkeurigheid kunnen vaststellen dat in alle gevallen het zwarte gat dat bij de samensmelting ontstond ruim onder de maximumsnelheid bleef.”

Kijk je met een detector in de ruimte naar superzware zwarte gaten, dan wordt het allemaal een stuk duidelijker, schrijven Gralla, Hughes en Warburton. Helaas moeten de fysici nog even wat geduld hebben voor dat laatste experiment. De Europese zwaartekrachtsgolvendetector eLISA staat namelijk pas voor 2034 in de planning. Al is het onderzoek naar zwaartekrachtsgolven wel de laatste tijd in zo’n stroomversnelling geraakt, dat men erover denkt het lanceerjaar van deze missie wat te vervroegen. En wie weet ontdekken we dan wel dat Interstellar qua natuur- en sterrenkunde nóg dichter bij de werkelijkheid zat dan de regisseur en de wetenschappelijk adviseur al meenden.

Bronnen: ArXiv.org, The Science of Interstellar (2014)