Zwarte gaten bestaan misschien niet, maar fuzzballs misschien wel, wilde theorie

Zwarte gaten zijn verreweg de meest mysterieuze objecten in het heelal. Het zijn objecten in de kosmos waar al onze kennis van de natuurkunde volledig in opgaat.

En toch, ondanks hun schijnbare onmogelijkheid, bestaan ze. Maar wat als deze zwaartekrachtmonsters helemaal geen zwarte gaten zijn, maar eerder het kosmische equivalent van vage, vibrerende bolletjes touw?

Nieuw onderzoek suggereert dat dat het geval kan zijn, en dat we ze met komende waarnemingen misschien wel echt kunnen zien.

Gerelateerd: De grootste zwarte gaten-bevindingen

Het probleem van zwarte gaten

Zwarte gaten komen voor in Einsteins algemene relativiteitstheorie, en volgens alle rechten zouden ze gewoon niet mogen bestaan. In die theorie kan, als een klomp materie in een klein genoeg volume wordt samengeperst, de zwaartekracht overweldigend sterk worden. Deze krankzinnige zwaartekrachtcompressie kan de vier andere fundamentele natuurkrachten – zoals de sterke kernkracht die de klomp materie bijeenhoudt – overvleugelen. Zodra een bepaalde kritische drempel is bereikt, perst en perst de klomp materie zich samen tot een oneindig klein punt.

Dit oneindig kleine punt staat bekend als de singulariteit, en het is omgeven door een oppervlak dat bekend staat als de waarnemingshorizon – de plaats waar de inwaartse aantrekkingskracht van de zwaartekracht de snelheid van het licht overschrijdt.

Natuurlijk bestaat er niet zoiets als een oneindig klein punt, dus dit beeld lijkt onjuist. Maar in het midden van de 20e eeuw begonnen astronomen objecten te vinden die eruit zagen als zwarte gaten, zich gedroegen als zwarte gaten en waarschijnlijk ook roken als zwarte gaten. Ondanks hun onmogelijkheid waren ze er, zwevend door het heelal.

En dat is niet het enige probleem. In 1976 realiseerde de natuurkundige Stephen Hawking zich dat zwarte gaten niet helemaal zwart zijn. Door de eigenaardigheid van de kwantummechanica, verdampen zwarte gaten langzaam. Dit leidde tot een paradox: Alle informatie die in een zwart gat valt, raakt erin opgesloten. Maar Hawking’s straling neemt die informatie niet mee (althans, voor zover wij weten). Dus als het zwarte gat uiteindelijk verdampt, wat gebeurt er dan met al die informatie?

Gerelateerd: Stephen Hawking’s meest vergezochte ideeën over zwarte gaten

Een stringy oplossing

In de loop van de decennia hebben theoretische natuurkundigen hard gewerkt om iets – wat dan ook – te vinden om zwarte gaten te verklaren. Iets dat de informatieparadox verklaart en iets om de singulariteit te vervangen door wiskunde die werkt.

Een van die theoretici werkt aan de snaartheorie, een model van het heelal dat alle deeltjes en krachten waar je van houdt vervangt door subatomaire, vibrerende snaren. In de snaartheorie zijn deze snaren de fundamentele bestanddelen van de materie in het heelal, maar we kunnen ze niet als snaren zien omdat ze zo klein zijn. Oh, en om de wiskunde van de snaartheorie te laten werken, moeten er extra dimensies zijn – allemaal piepklein en op zichzelf gekruld tot op subatomaire schaal, zodat we die ook niet zien.

De snaartheorie beweert een theorie van alles te zijn, in staat om elk soort deeltje, elk soort kracht, en in principe alles in het heelal te verklaren (en, voor de volledigheid, het hele heelal zelf).

Dus de snaartheorie zou in staat moeten zijn om het onverklaarbare te verklaren: zij zou in staat moeten zijn om zwarte gaten te vervangen door iets minder angstaanjagends.

En inderdaad, snaartheoretici hebben een minder angstaanjagende vervanging voor zwarte gaten voorgesteld. Ze heten fuzzballs.

Unraveling the yarn

In de snaartheorie zijn zwarte gaten noch zwart noch gaten. De beste metafoor om uit te leggen wat een fuzzball is, is te kijken naar een ander compact en vreemd object in het heelal: neutronensterren.

Neutronensterren zijn wat er gebeurt als een object niet genoeg zwaartekracht heeft om samen te persen tot wat wij een zwart gat noemen. In een neutronenster wordt materie samengeperst tot de hoogst mogelijke dichtheid. Neutronen zijn een van de fundamentele bestanddelen van atomen, maar ze spelen gewoonlijk samen met andere deeltjes zoals protonen en elektronen. Maar in een neutronenster, dat soort atoom kameraadschap breekt af en lost op, achterlatend enkel neutronen samengepropt zo strak mogelijk.

Bij fuzzballs, houden de fundamentele snaren op samen te werken en verdringen zich eenvoudig samen, wordend een grote, goed, bal van snaren. Een fuzzball.

Fuzzballs zijn niet volledig uitgewerkt, zelfs niet in theorie, want hoe cool de snaartheorie ook klinkt, niemand is ooit in staat geweest er een volledige wiskundige oplossing voor te bedenken – en dus zijn fuzzballs niet alleen fuzzy in de fysische werkelijkheid, maar ook fuzzy in wiskundige mogelijkheden.

Toch zouden we in staat kunnen zijn fuzzballs te vinden met komende onderzoeken, zoals beschreven in een overzichtsartikel dat 27 oktober is gepubliceerd in het preprint tijdschrift arXiv. We zijn nog maar net begonnen met het bewijzen van het bestaan van zwarte gaten en het onderzoeken van de details van hoe ze zich gedragen, en onze beste manier om dat te doen is door middel van zwaartekrachtgolven.

Wanneer zwarte gaten botsen en samensmelten, laten ze een tsunami van zwaartekrachtgolven vrij, die door de kosmos spoelen en uiteindelijk onze detectoren op aarde bereiken. Voor alle tientallen samensmeltingen van zwarte gaten die we tot nu toe hebben gezien, is de zwaartekrachtgolfsignatuur precies wat de algemene relativiteit voorspelt dat zwarte gaten doen.

Maar toekomstige instrumenten, zoals het geavanceerde Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en de Laser Interferometer Space Antenna (een voorgestelde zwaartekrachtgolfdetector in de ruimte), hebben misschien de gevoeligheid om het verschil te zien tussen normale zwarte gaten en sliertige pluizenbollen. Ik zeg “zou kunnen” omdat verschillende fuzzball-modellen verschillende variaties voorspellen van het standaard gedrag van zwarte gaten.

Als we in staat zijn om bewijs te vinden voor fuzzballs, zou dat niet alleen de vraag beantwoorden wat zwarte gaten eigenlijk zijn; het zou enkele van de diepste grondbeginselen van de natuur onthullen.

Oorspronkelijk gepubliceerd op Live Science.