big bang

De bolvormige sterhoop Messier 80. De centrale zwarte gaten in deze bolvormige sterhopen hebben een voorspelde massa van rond de 30 zonsmassa's.

‘Primordiale zwarte gaten vormen donkere materie’

De zwaartekrachtgolfdetector LIGO ontdekte niet alleen zwaartekrachtgolven. Veel interessanter is waarvan LIGO zwaartekrachtgolven waarnam: zwarte gaten van rond de 30 zonsmassa’s, een formaat dat volgens de gevestigde theorieën helemaal niet kan bestaan. Zou donkere materie uit primordiale zwarte gaten bestaan? En zouden zwarte gaten de missing link zijn voor de evolutie van sterrenstelsels? En de overblijfsels van baby-universa?

De bestaande theorieën voor het ontstaan van zwarte gaten blijken onvolledig

De tot nu toe vóór LIGO ontdekte zwarte gaten vallen ruwweg uiteen in twee grootteklassen. Kleine zwarte gaten van enkele zonsmassa’s, zoals Cygnus X-1, ontstaan door het ineenstorten van zware sterren van enkele tientallen zonsmassa’s.

Ook zijn er de enorme zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s, zoals Sagittarius A*, het zwarte gat in het centrum van onze Melkweg. Deze vormen het centrum van sterrenstelsels. Er zijn geen middelgrote zwarte gaten van bijvoorbeeld  enkele honderden of duizenden zonsmassa’s gevonden, al bestaan deze vermoedelijk in het centrum van bolvormige sterhopen.

Het lichtste grote zwarte gat is meer dan een miljoen zonsmassa’s. De twee door LIGO waargenomen ineengestorte zwarte gaten, die een nieuw zwart gat van 62 zonsmassa’s produceerden, hadden een massa van rond de dertig zonsmassa’s. Er moet een ander mechanisme dan stervorming hiervoor verantwoordelijk zijn. Hetzij de samensmelting van kleinere zwarte gaten van rond de tien zonsmassa’s, hetzij een heel nieuw mechanisme. Bijvoorbeeld primordiale vorming: hypothetische zwarte gaten die vlak na de Big Bang ontstonden. Zouden de twee botsende zwarte gaten primordiale zwarte gaten zijn geweest?

Primordiale zwarte gaten

De kosmische achtergrondstraling blijkt namelijk opmerkelijk korrelig te zijn. De verklaring is volgens astronoom A. Kashlinsky dat clusters zwarte gaten van rond de dertig zonsmassa’s hiervoor verantwoordelijk zijn[1]. Zijn voorspelling is dat vrijwel alle donkere materie uit zwarte gaten bestaat met een vrij nauwe massaverdeling rond deze dertig zonsmassa’s.

De bolvormige sterhoop Messier 80. De centrale zwarte gaten in deze bolvormige sterhopen hebben een voorspelde massa van rond de 30  zonsmassa's. -NASA
De bolvormige sterhoop Messier 80. De centrale zwarte gaten in deze bolvormige sterhopen hebben een voorspelde massa van rond de 30 zonsmassa’s. -NASA

Deze kunnen de zaden hebben gevormd, waar zich bolvormige sterhopen omheen vormden. De hypothetische, maar nog niet waar genomen centrale zwarte gaten in bolvormige sterhopen zijn namelijk ongeveer deze grootte. Deze zijn samengesmolten en vormden de eerste spiraalstelsels. De andere bolvormige sterhopen worden dan weer opgeslokt door grotere spiraalstelsels. Inderdaad bevindt zich rond de Melkweg een halo van bolvormige sterrenstelsels. Mogelijk bestaat de donkere materie daarom uit zwarte gaten waar rond we geen sterren kunnen waarnemen, dus voor ons onzichtbaar zijn. Dit zou ook de raadselachtige uitbarstingen van röntgenstraling verklaren. Elke keer als een zwart gat een zwerfplaneet of ander zwervend galactisch object opslokt, komt een chirp van röntgenstraling vrij.
Voor deze theorie pleit ook dat de sterren in bolvormige sterhopen metaalarm en dus zeer oud zijn: ze zijn echt gevormd uit Big Bang-gas en niet uit restanten van supernova’s.

Baby-universa

Russische en Japanse kosmologen van het instituut Kavli IPMU bij Tokio, hebben deze theorie nu uitgebreid. Die primordiële zwarte gaten zijn niet zomaar zwarte gaten, maar de overblijfselen van ‘doodgeboren’ baby-universa. Van buiten nemen wij deze waar als een zwart gat. Sommige baby-universa bestaan zelfs nog steeds. Van binnen een dergelijk baby-universum lijkt het alsof het uitzet.

Het is lastig om zwarte gaten waar te nemen. Dat kan eigenlijk maar op enkele manieren. De accretieschijf, de zwaartekrachtswerking en hun werking als zwaartekrachtslens. De accretieschijf, de draaikolk van materie die het zwarte gat ingezogen wordt, is alleen waar te nemen als het zwarte gat materie opslurpt. Wat zelden gebeurt. Het heelal is groot en leeg. Dus verzon de groep een list. De Hyper Suprime-Cam (HSC) neemt het naburige Andromeda-stelsel waar. Naburig is hier relatief: twee miljoen lichtjaar. Als er primordiale zwarte gaten voro de lens trekken, kunnen we dat waarnemen als sterren die van plaats veranderen. Dit door de zwaartekrachtlenswerking. Erg veel heeft het onderzoek nog niet opgeleverd, al is er nu wel een ondergrens vastgesteld [2].

Bronnen
1. A. Kashlinsky, LIGO Gravitational Wave Detection, Primordial Black Holes, and the Near-IR Cosmic Infrared Background Anisotropies, The Astrophysical Journal Letters, 2016
2. Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Volodymyr Takhistov en Edoardo Vitagliano, Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes” by  30 October 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.181304

Het heelal zoals we dat kennen. Maar klopt de Big Bang hypothese wel?

De geschiedenis van het heelal in minder dan tien minuten

13,7 miljard jaar geleden begon het heelal, en daarmee de tijd. Uit een punt met bijna oneindige dichtheid sprong het heelal zoals wij dat kennen tevoorschijn.

Belangrijke hoogtepunten zijn: het vormen van de eerste artoomkernen, drie minuten na de Big Bang, het doorzichtig worden van het heelal, rond de 300.000 jaar later, de vorming van de eerste sterren na enkele miljoenen jaren (generatie III, nu allang geëxplodeerd), de vorming van de aarde, tussen de 8 en 9 miljard jaar na de Big Bang en tot slot, het ontstaan van de mens, toen het heelal 13,7 miljard jaar oud was.

Zoals met alle wetenschappelijke bevindingen geldt ook hier: dit is waar, tot er tegenbewijs opduikt. Wel is het voorhanden bewijs uitermate solide en zijn er de laatste tien jaar meer astronomische data verzameld dan in alle jaren ervoor.

Het heelal zoals we dat kennen. Maar klopt de Big Bang hypothese wel?
Het heelal zoals we dat kennen. Maar klopt de Big Bang hypothese wel?

Wat gebeurde er voor de Big Bang?

Met de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling werd voor de meeste kosmologen overtuigend aangetoond dat het heelal ooit is ontstaan uit een punt van zeer hoge dichtheid en temperatuur, door criticus Fred Hoyle spottend Big Bang genoemd. De gangbare kosmologie gaat er van uit dat met de Big Bang en de ruimte, ook de tijd ontstond. Dit zou de vraag naar wat er voor de Big Bang was, zinloos maken. In deze documentaire, gemaakt in samenwerking met de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, worden een aantal vragen, voorzover dat kan, beantwoord.

Er zijn enkele kosmologische modellen die wel degelijk uitgaan van een bestaan van het heelal voor de Big Bang. In ieder geval moet iets de Big Bang in gang gezet hebben, althans: de Big Bang verklaren. Dit kan een ander heelal zijn, maar ook bijvoorbeeld een begindefinitie, zoals het natuurlijke getallenstelsel met de nul en een begint.

Video: wat was er voor de Big Bang?

De kosmologische theorieën van nu beginnen allen met de Big Bang: een punt van bijna oneindige dichtheid dat 13,7 miljard jaar in het verleden ligt. Adepten van de snaartheorie denken echter dat het heelal zoals we dat nu kennen het gevolg is van de botsing van twee n-branen, veeldimensionale vlakken. Ze denken ook dat er dus voor de Big Bang al tijd bestond. De BBC maakte deze mooie animatie van wat er gebeurt als twee n-branen elkaar raken. Zouden  ze gelijk hebben? Oordeel zelf…

Ondanks alle borstklopperij van de snaaradepten is er voor de snaartheorie op dit moment nog geen experimenteel bewijs gevonden. Sterker nog: er is nog geen enkel uitvoerbaar experiment dat de waarheid of onwaarheid van de snaartheorie kan aantonen.

De fenomenologie van de schaarse verschijnselen die buiten het Standaardmodel of de algemene relativiteitstheorie liggen, is op dit moment nog te omstreden (ook qua experimentele betrouwbaarheid) om uitspraken te kunnen doen over de waarheid of onwaarheid van de snaartheorie.

Zet het heelal uit door het vrijkomen van energie uit massa? Dit zegt een opmerkelijke theorie van de Finse natuurkundige Arto Annila.

‘Uitzetting heelal door opbrandende sterren’

Als fysicus ArtoAnnila gelijk heeft, bestaat er helemaal geen donkere energie, maar klopt onze rekenmethode om de afstand en snelheid van supernova’s te berekenen, domweg niet.  En veroorzaken sterren en supernova’s zelf de uitzetting als gevolg van een kwantumeffect. Food for thought, want deze oplossing is verrassend elegant…

De snelste route voor licht
Terwijl het licht vanaf de supernova voortreist, neemt het uitzettende heelal af in dichtheid. Als licht van een gebied met hoge dichtheid (zoals toen het heelal nog jong was of in de buurt van een zware ster) naar een gebied met lage dichtheid reist, schrijft Maupertuis’ principe van minimale actie voor dat het licht impuls verliest. Licht met een lagere impuls krijgt een grotere golflengte en wordt dus ‘roder’. Maupertuis’ principe bepaalt volgens Annila ook dat als het licht gebieden met een hoge energiedichtheid, zoals rond een ster, passeert, de lokale lichtsnelheid vermindert en de bewegingsrichting verandert.

Behoud van aantal quanta
Als dit de manier is warop het licht van supernova’s reist, verklaart dit op zijn beurt waarom het universum uitzet, stelt Annila. Als een ster explodeert en zijn massa wordt omgezet in straling, vereist een behoudswet (vermoedelijk de regel dat er in een gesloten systeem, zoals het heelal, geen kwantuminformatie verloren mag gaan of bij mag komen) dat het aantal kwanta gelijk blijft, of deze zich nu in de vorm van massa of straling bevinden. Om de balans tussen energie die in materie is gebonden en energie die in de vorm van fotonen vrijkomt te behouden, bewegen de supernova’s van elkaar weg met een steeds toenemende gemiddelde snelheid. Deze oplossing heeft als voordeel dat er geen donkere energie of iets dergelijks voor nodig is. Deze zou namelijk de wet van behoud van energie schenden. Dit principe geldt overigens niet alleen voor supernova’s maar voor alle vormen van ‘gebonden’ energie. Als de gebonden vorm van energie in hemellichamen als sterren, pulsars, zwarte gaten en dergelijke in elektromagnetische straling wordt omgezet – energie met een veel lagere dichtheid – zorgen deze onherroepelijke omzettingen van massa in energie de uitzetting van het universum. Klopt Annila’s theorie, dan moet de uitzetting van het heelal volgens een sigmoïde (S-vormige) curve verlopen, zie diagram.  De uitzetting stopt namelijk als er geen ‘gebonden’ energie meer vrijkomt omdat alle materie is opgebrand. We zitten nu nog uiterst links op deze curve.

Een sigmoïde curve.
Een sigmoïde curve.

In één klap ook donkere materie verklaard
Annila laat ook zien dat als zwaartekrachtslenzen met dit concept worden geanalyseerd, er geen donkere materie meer nodig is om de resultaten te verklaren. Zoals bekend buigt zware materie licht af. Eén van de eerste experimentele bevestigingen van de algemene relativiteitstheorie was een minieme afwijking van de positie van een ster omdat het licht door de zwaartekrachtsveld van de zon werd afgebogen.  Bij de zon klopt dit wel aardig, maar bij complete melkwegstelsels blijkt er een grote hoeveelheid “donkere materie” op te treden. Naar schatting is hier ongeveer vijf keer zoveel van als van standaard materie.

Fysische realiteit in plaats van wiskundige theorie
Toen Annila Maupertuis’ principe van minimale actie toepaste om te bestuderen hoe een melkwegstelsel van een bepaalde massa passerend licht zou doen afbuigen, berekende hij dat de afbuiging vijf maal groter is dan de uitkomst volgens de algemene relativiteitstheorie. Met andere woorden, de aanwezige massa in melkwegstelsels is zo voldoende om de afbuiging te verklaren. Dit verklaart mijns inziens ook de merkwaardige verdeling van donkere materie. Volgens Annila schiet de algemene relativiteitstheorie hier tekort omdat het (weer zijn stokpaardje, maar hij heeft een punt) een wiskundig model is, terwijl je in de natuurkunde een fysisch nauwkeurige beschrijving van het systeem moet maken om voorspellingen realistisch te maken. Het volgen van Maupertuis’ principe  levert dit model op.

Zet het heelal uit door het vrijkomen van energie uit massa? Dit zegt een opmerkelijke theorie van de Finse natuurkundige Arto Annila.
Zet het heelal uit door het vrijkomen van energie uit massa? Dit zegt een opmerkelijke theorie van de Finse natuurkundige Arto Annila.

Theorie kan getest worden met experimenten
In tegenstelling tot de snaartheorie, geloof in boze geesten en andere metafysica, kunnen deze concepten natuurlijk nauwkeurig worden getest. Het principe van kortste-tijd vrije energieconsumptie is per definitie een universele en onschendbare wet. Wordt met een experiment deze wet fout bevonden, dan is hiermee de theorie in één klap gefalsificeerd: een kenmerk van een goede wetenschappelijke theorie. Hiervoor kunnen de supernova-explosies gebruikt worden, maar ook de metingen van de zwaartekracht-satelliet Gravity Probe B.

Heeft Annila gelijk?
Annila doet buitengewone claims en deze vereisen dan ook buitengewoon grondige onderbouwing. Toekomstige experimenten zullen dus uitwijzen of hij gelijk heeft. Veel vakgenoten zijn sceptisch (zie ook comments onder het artikel op Physorg), onder meer omdat er ook melkwegstelsels bekend zijn die vrijwel geheel uit donkere materie bestaan.

Zeer aantrekkelijk aan zijn theorie is dat hij uit gaat van enkele rotsvast gegronde natuurkundig principes, dat van Maupertuis en behoud van kwantuminformatie, en maar liefst twee verschijnselen tegelijk verklaart: de versnelde uitzetting en donkere energie. Zijn theorie is daarom vanuit natuurkundig oogpunt gezien erg elegant. Dit is, kortom, zeker een nader onderzoek waard. Dit soort visionair denken is nodig om fundamentele wetenschappelijke doorbraken te bereiken.

Vervolg op: ‘Donkere energie onnodig’

Bronnen
A second look at supernovae light: Universe’s expansion may be understood without dark energy – Physorg.com (2011)
Arto Annila. “Least-time paths of light.” Mon. Not. R. Astron. Soc. 416, 2944-2948 (2011), versie zonder paywall

Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?

Vervaagt het heelal?

Stel, je wordt op een dag wakker en kijkt in de spiegel. Er is iets heel vreemds aan de hand. Je ziet er korrelig en vaag uit, als een slechte kwaliteit beeld dat sterk is opgeblazen. Je gilt,  maar het geluid dat je maakt klinkt spookachtig, als over een slechte telefoonlijn. Vreemd? Toch is dit wat onvermijdelijk gebeurt als twee ideeën, de uitzetting van het heelal en het behoud van kwantuminformatie, allebei kloppen, stelt MIT-kosmoloog Mark Tegmark.

Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?
Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?

De Big Snap en de inflatietheorie
Dit akelige scenario is ook wel bekend als de Big Snap. Het is het logische gevolg als je de snelle uitzetting van het heelal koppelt aan de kwantummechanische voorwaarde dat de hoeveelheid informatie in het heelal altijd gelijk blijft. Als dezelfde hoeveelheid informatie over een groter volume wordt uitgesmeerd, beginnen dingen als atomen en dus ook mensen uit elkaar te vallen.  Het heelal loopt als het ware vast. Een schrale troost: je sterft al door andere oorzaken voor je jezelf ziet vervagen.
Er is gelukkig één maar aan dit  onprettige vooruitzicht. Het is in strijd met de kosmologische theorie van de exponentiële inflatie vlak na de Big Bang.

Nuttig gedachtenexperiment om kwantumzwaartekracht te ontdekken
Tegmark denkt daarom dat dit scenario niet uit zal komen, alhoewel het dus logisch volgt uit beide theorieën. Blijkbaar zit er volgens hem ergens een fout in hetzij de snelle uitzetting van het heelal, dan wel de kwantuminformatie-hypothese. Met dit gedachtenexperiment denkt hij een theoretische koevoet te hebben gevonden om de geheimen van kwantumzwaartekracht los te kunnen wrikken. Voor het andere “idee”, met absurd hoge snelheden proberen de Planck-energie te halen, moeten we een deel of zelfs het complete Melkwegstelsel ombouwen tot deeltjesversneller. Op zich geen gek plan, goed voor de werkgelegenheid de komende paar miljoen jaar, maar gezien de financiële moeilijkheden bij de EU en de Amerikanen zit dat er voorlopig nog niet in.

Heelal onthoudt alles
Informatie gaat volgens de kwantummechanica niet verloren. Elk deeltje en krachtveld is verbonden met een golf. Dit is alles wat we mogelijkerwijs kunnen weten van dat deeltje of veld. Kennen we van elk deeltje de exacte kwantumtoestand (zo heet al die informatie samen), dan kunnen we het heelal volledig beschrijven. Tegmark stelde zich de vraag wat gebeurt in het heelal als dit snel uitzet. Immers: kwantummechanica is onverbiddelijk. Informatie kan niet ontstaan of verdwijnen in het niets.

Einde van de voorspelbaarheid?
Er gaan heel vreemde dingen gebeuren als het beperkte aantal quanta (de informatieinhoud) in het heelal over een steeds groter volume wordt uitgerekt, toonde Tegmark in zijn artikel[1] aan. Zijn redenering komt zonder wiskunde neer op het volgende. Elk stukje ruimtetijd, ook al is het leeg, bevat informatie. De aanwezigheid van zwaartekrachtsvervorming bijvoorbeeld maakt de lege ruimte hier op aarde anders dan die in de gapende leegtes  tussen melkwegclusters. Zo verloopt de tijd hier trager. Om dit te beschrijven heb je informatie nodig. Kwantumtheoretici gaan doorgaans uit van de Plancklengte als elementaire eenheid van lengte. (Dit is overigens experimenteel al weer ontkracht, het is wel duidelijk dat de ware aard van ruimtetijd niets met naieve Euclidische  meetkunde van doen heeft maar goed, daar komen we zo op). Stel je een kubusje van 1x1x1 Plancklengte voor. Of liever: een stukje oppervlak van 1×1 Plancklengte, het heelal is waarschijnlijk een hologram. Dit is volgens deze theoretici een elementaire informatiepixel, een qubit zo ge wil, van het heelal.

Neem maar genoeg van deze qubits, afgrijselijk veel, en op een gegeven moment heb je je heelal. Echter: het heelal zet uit. De elementaire informatie in de qubits is op een gegeven moment uitgesmeerd over een twee keer zo groot volume. Probleem. De Plancklengte blijft namelijk gelijk, dus zijn er nu twee keer zoveel elementaire pixels nodig. Er is dus informatie bijgekomen. En dat is strikt verboden volgens de kwantummechanica. We kunnen niet meer de toekomst voorspellen. Meer filosofisch ingestelde mensen zoals collega-visionair Niek vinden dit prachtig, maar dit brengt theoretici tot wanhoop. Kwantummechanica is namelijk de meest nauwkeurige natuurkundige theorie die er bestaat en een van de twee pijlers waarop de moderne natuurkunde berust.

Levende atoombom
Een andere optie is kwantummechanica intact te laten en aan te nemen dat het nieuwe volume geen nieuwe informatie met zich meebrengt. Met andere woorden: we kunnen het heelal tien miljard jaar geleden, of tien miljard jaar in de toekomst, met hetzelfde aantal bits beschrijven als nu. De makkelijkste manier om je dit voor te stellen is dat elke cel groeit. Er komt wel steeds meer lege ruimte, maar die ruimte wordt steeds korreliger. Op een gegeven moment is de lengte van een elementaire korrel bijvoorbeeld niet meer een Plancklengte (10-35 meter), maar die van de doorsnede van het proton (10-14 meter). Ter vergelijking: een proton zou bij deze vergroting dan zo groot als de aarde zijn. Uiteraard vinden de quarks in een proton dat niet leuk, het evenwicht in atoomkernen wordt totaal verstoord, dus er gaan dan heel grappige dingen gebeuren met atoomkernen. Grappig voor een buitenstaander althans, want veranderen in een levende atoombom is niet fijn om mee te maken.

Moet ik me bij een doomsday sekte aansluiten?
Een subtieler effect is het gedrag van licht. Als ruimte korreliger wordt, zullen zeer energierijke fotonen (die immers zo compact zijn dat ze heel weinig ruimte innemen) meer verstrooid worden en dus langzamer reizen dan zwakke fotonen. Precies dat effect is onderzocht bij gammaflitsen. Dat zijn extreem heftige energieuitbarstingen waarbij zeer energierijke gammafotonen vrijkomen. Is de ruimte inderdaad korrelig, dan moeten de energierijkste fotonen langzamer zijn dan de minder energierijke fotonen. Naar blijkt, bewegen deze precies even snel. De Plancklengte blijkt een hersenspinsel. We zijn een maar paar miljard jaar verwijderd van de voorspelde Big Snap, dus zou deze werkelijk optreden, dan zouden we de gevolgen hiervan merken. Dus wacht nog even met alles verkopen wat je hebt. En van het leven genieten is altijd een goed idee, trouwens.

Dus: of we zijn buitengewoon bevoorrecht dat we de dans zijn ontsprongen, of, waarschijnlijker, zit er een behoorlijke fout in onze theorieën. Ik persoonlijk denk dat die fout in het naieve denken over ruimtetijd schuilt. Planck-kubusjes bestaan niet.

Bronnen
1. Max Tegmark, How unitary cosmology generalizes thermodynamics and solves the inflationary entropy problem, Arxiv.org (2011)

Volgens sommige theorieën bestaat donkere materie uit zwarte gaten die zijn ontstaan vlak na de oerknal. Of misschien wel eerder...

‘Donkere materie bestaat uit zwarte gaten’

Volgens een controversiële nieuwe theorie is de missende materie in het universum opgesloten in onafzienbare aantallen kleine zwarte gaten. Zijn zwarte gaten de regel in plaats van een bizarre uitzondering?

Donkere materie is een lastig probleem dat de astronomie al vele jaren plaagt. Van alle massa die zwaartekrachtseffecten opwekt kunnen we maar een paar procent herleiden tot gaswolken, sterren en planeten. De rest is onzichtbaar, maar oefent wel zwaartekracht uit. Er zijn al veel theorieën bedacht om deze donkere materie te verklaren, variërend van nog niet waargenomen zware deeltjes die behalve door de zwaartekracht nergens mee reageren, tot afwijkingen in de zwaartekrachtswetten.

Volgens sommige theorieën bestaat donkere materie uit zwarte gaten die zijn ontstaan vlak na de oerknal. Of misschien wel eerder...
Volgens sommige theorieën bestaat donkere materie uit zwarte gaten die zijn ontstaan vlak na de oerknal. Of misschien wel eerder...

Misschien deugen beide verklaringen niet. Astronoom Mike Hawkins van het Royal Observatory in het Schotse Edinburgh, denkt dit. Hij gelooft dat wat we donkere materie noemen, in werkelijkheid bestaat uit enorme aantallen zwarte gaten die vlak na de Big Bang zijn ontstaan. De clai is controversieel. Toch gelooft Hawkins dat hij in de loop der jaren voldoende bewijs heeft verzameld om deze claim hard te maken. Als hij gelijk heeft, ziet het heelal er radicaal anders uit dan tot nu toe gedacht. Zwarte gaten komen dan namelijk veel meer voor dan tot nu toegedacht. Ze maken dan zelfs viervijfde van alle materie uit.

Hawkins kwam op zijn ideeën in 1975, toen hij gedurende vele nachten een deel van de zuidelijke sterrenhemel waarnam. Hij gebruikte hiervoor de Engelse Schmidt telescoop in het Australische Siding Springs. Na vijf jaar vond hij naast de sterren die hij zocht, iets onverwachts: duizenden objecten die extreem langzaam helderder en dan zwakker werden. Dit bleken achteraf quasars te zijn: de extreem actieve kernen van jonge melkwegstelsels aan de rand van het (voor ons) waarneembare universum.

Met deze quasars was wat vreemds aan de hand. Het is welbekend dat zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s opvlammen als er materie in valt. Omdat dit onregelmatig verloopt, varieert hun licht, bijvoorbeeld als een ster of groepje sterren wordt opgeslokt.  Dit soort effecten laat quasars opflakkeren in een paar dagen,  niet in jaren of decennia, zoals Hawkins waarnam. Volgens hem is de meest zinnige verklaring microlensing: een onzichtbaar, extreem zwaar object passeert voor de quasar langs en versterkt of verzwakt het licht juist. Zijn berekeningen wijzen uit dat dit in principe kan, als de hemellichamen die voor de quasars langs bewegen ongeveer de massa hebben van de zon. Wat kunnen deze enorme, microlenseffect opwekkende hemellichamen zijn?

Sterren, zou je op het eerste gezicht zeggen, maar de omstandigheden vlak na de Big Bang maken dit zeer onwaarschijnlijk. Uit berekeningen volgt dat er maximaal twee keer zoveel baryonen, ‘zware deeltjes’ zijn als we in de zichtbare materie, zoals sterren en melkwegstelsels, kunnen waarnemen. Kortom: zijn deze zware objecten inderdaad verantwoordelijk voor de versterking en verzwakking van het quasarlicht, dan kunnen ze niet uit materie zoals wij die kennen bestaan. We zien het effect namelijk bij elke quasar. Er is domweg niet voldoende materie in het heelal om dit te verklaren. De objecten moeten dus uit donkere materie bestaan. Zwarte gaten zijn de meest logische kandidaat. Volgens sommige kosmologische theorieën zijn deze ontstaan toen sommige quarks – de bouwstenen van protonen en neutronen – niet deeltjes vormden, maar quarksterren die later door hun hoge dichtheid in zwarte gaten veranderden.

De helderheid van de vier reflecties van het Einsteinkruis wisselt onafhankelijk van elkaar.
De helderheid van de vier reflecties van het Einsteinkruis wisselt onafhankelijk van elkaar.

Het is overigens de vraag of er veel zwarte gaten zijn. De MACHO Collaboration, een team dat op zoek is naar zware donkere objecten, nam drie miljoen sterren waar in de Kleine en Grote Magellaanse Wolken (twee dwergstelsels die op dit moment door de Melkweg op worden geslokt). Als zwarte gaten verantwoordelijk zijn voor donkere materie, moeten er heel veel zijn in en rond de Melkweg. Donkere materie vormt namelijk en soort bolvormige halo rond de Melkweg. Er werden echter slechts zeventien microlensing gebeurtenissen waargenomen. Voorlopige conclusie: slechts twintig procent, misschien zelfs nog wel minder, van de dnkere materie wordt door zware objecten verklaard.

Hawkins is het daar niet mee eens. Hij denkt dat de halo een andere structuur heeft en vraagt zich af hoe efficiënt microlensing effecten werden waargenomen.  Hij heeft nog meer argumenten. De variaties in quasarlicht blijken namelijk niet samen te hangen. Verschillende quasars vertonen heel ander gedrag. Ook blijken de lichtsterktes van delen van een Einsteinring – een door een andere zwaartekrachtlens vervormde quasar of andere lichtbron – onafhankelijk van elkaar te variëren. Als de quasar zelf knippert, is dat onwaarschijnlijk. Een ander argument: zowel quasars ver weg als quasars vlakbij knipperen even snel. Dit kan in feite niet. Quasars ver weg moeten door de Einsteiniaanse tijdsvertraging veel langzamer knipperen. Conclusie: objecten relatief dichtbij moeten verantwoordelijk zijn voor het knipperen, aldus Hawkins.

Zoals een echt goede wetenschappelijke theorie betaamt, is Hawkins model falsifieerbaar. Als donkere materie-deeltjes werkelijk worden aangetoond (en het Italiaanse DAMA experiment onder de granietberg Gran Sasso, alsmede het Amerikaanse CoGent experiment, lijkt daarop te wijzen) heeft Hawkins ongelijk.  Voorlopig zijn de meeste natuurkundigen nog niet overtuigd dat deze twee experimenten iets hebben aangetoond. Wat Hawkins werkelijk nodig heeft is een daadwerkelijke waarneming van een zwart gat. Volgens de berekeningen moeten ze zich op ongeveer veertig lichtjaar afstand van elkaar bevinden. Zwarte gaten van een zonsmassa zijn ook extreem klein – ongeveer drie kilometer in doorsnede – dus uiterst lastig te vinden op die afstand. Daarom wil Hawkins dat de Macho Collaboration wordt voortgezet zodat er meer microlensing gebeurtenissen worden gevonden.

Het kan ook zo zijn dat die zwarte gaten uit een eerder universum afkomstig zijn, d.w.z. ouder zijn dan de Big Bang, zoals sommige theoretici denken. In dat geval is donkere materie uit een eerder heelal afkomstig.

Bronnen
1.  Michael R.S. Hawkins, The case for primordial black holes as dark matter, ArXiv (2011)

Bestond het vorige heelal uit antimaterie?

‘Vorig universum bestond uit antimaterie’

Als materie en antimaterie elkaar afstoten, kan de snelle omzetting van materie in antimaterie in een superzwaar zwart gat er precies uitzien als een Big Bang. Verklaart deze bizarre theorie de raadselachtige inflatie?

Big Crunch
Stel, op een gegeven moment houdt het universum op met uitzetten en begint weer in zichzelf  te storten. Kortom: het Big Crunch scenario. Daar lijkt het overigens niet erg op, het heelal zet juist steeds sneller en sneller uit.  Uiteindelijk wordt het heelal dan een superzwaar zwart gat. De extreme massa van het zwarte gat produceert een extreem sterk zwaartekrachtsveld. Door een zwaartekrachtsversie van het zogeheten Schwinger mechanisme, conmverteert dit zwaartekrachtsveld virtuele deeltjes-antideeltjesparen in echte deeltjesparen. Als het zwarte gat gemaakt is van materie (of juist antimaterie) kan het vol geweld  in een fractie van een seconde, onafzienbare hoeveelheden antideeltjes (resp. deeltjes) uitstoten. De uitbarsting zou veel weg hebben van een Big Bang.

Wat is het Schwinger mechanisme?
Het Schwinger mechanisme,  ontdekt door de vooraanstaande fysicus Julian Schwinger, komt er op neer dat door een extreem sterk elektrisch veld, het vacuüm uiteen wordt getrokken in deeltjes en antideeltjes. Materie uit het “niets” dus. Deze deeltjes hebben onderling een omgekeerde lading, zodat de paren uit elkaar worden getrokken voor de deeltjes elkaar kunnen vernietigen. Het veld valt dus uiteen in een vloedgolf van deeltjes. De deeltjes worden met een vaste snelheid geproduceerd, alleen afhankelijk van de veldsterkte. Check deze Powerpoint presentatie voor meer info. Schwingers artikel is meer dan vijfduizend maal geciteerd.  Desondanks is het Schwinger effect pas onlangs in een experiment aangetoond [1].

 

Big Bang door antimaterie-afstoting?

Bestond het vorige heelal uit antimaterie?
Bestond het vorige heelal uit antimaterie?

De Montenegrijnse natuurkundige Dragan Slavkov Hajdukovic die nu aan het CERN in het Zwitserse Genève werkt,  benadrukt dat hij geen idee heeft of die scenario inderdaad 13,7 miljard jaar geleden plaats heeft gevonden – de vermoedelijke geboortedag van het heelal. In een recent artikel in Astrophysics and Space Science[1], beschreef hij een mechanisme dat materie in antimaterie kan omzetten (en andersom). Het gevolg is een cyclisch universum dat beurtelings wordt beheerst door materie of antimaterie. Het ineenstorten van een materie-gedomineerd universum leidt tot een antimaterie-gedomineerd heelal enzovoort.

Hij denkt dat extreme zwaartekracht dezelfde effecten kan hebben als een extreem sterk elektromagnetisch veld, dus ook deeltjes uit het niets tevoorschijn kan toveren. Hierbij gaat hij overigens voorbij aan het feit dat zwaartekrachtsenergie negatief is. Er is nog een discutabel punt: hij gaat er vanuit dat materie en antimaterie elkaar afstoten. Deze afstoting kan ontstaan uit zwaartekracht (antimaterie zou dan antizwaartekracht uitoefenen) of een niet-zwaartekrachtsgerelateerde oorsprong hebben. Hajducovic denkt aan een afstoting tussen materie en antimaterie die alleen op zeer korte afstand werkt.

Zodra het zwarte gat zich gevormd heeft (d.w.z. op het moment dat er een waarnemingshorizon is ontstaan) zou het gravitationele Schwinger-effect een enorme explosie van materie veroorzaken die het zwarte gat uitstroomt. Dat zou dus op dit punt het karakter hebben van een wit gat. Het gevolg: in de praktijk wordt zo materie in een fractie van een seconde omgezet in antimaterie (of andersom). Hajducovic berekende dat er een onvoorstelbare 10128 kg omgezet kan worden, verschillende ordes van grootte meer dan de totale massa in het universum. Dat ook in een extreem korte tijd: korter dan de door veel theoretici als fundamenteel beschouwde Plancktijd.

Dit scenario heeft twee implicaties. Ten eerste wordt het universum nooit kleiner dan een paar kilometer. De afmeting van het universum na de kosmische inflatie, nu net het meest problematische deel van de kosmologie. Ook geeft dit scenario een  simpele verklaring voor het verschil tussen materie en antimaterie. Er is nu een overmaat aan materie omdat er in het vorige universum een overmaat aan antimaterie was. Net zoals het volgende universum uit antimaterie zal bestaan.

Donkere energie en donkere materie niet meer nodig

Hajducovic wijst erop dat het belangrijk is alternatieven voor de bestaande theorieën te onderzoeken. Zo verklaart het gevierde Standaardmodel en Einsteins algemene relativiteitstheorie donkere materie en donkere energie niet. Samen vormen deze meer dan 95% van het universum. Ook is er volgens hem geen simpel mechanisme dat inflatie verklaart. Hier ben ik het overigens niet mee eens. Kortom: meer hypotheses dan beproefde theorieën. Erg onbevredigend. Hajducovic’s theorie doet daarentegen geen beroep op exotische natuurkunde (afgezien dan van het gravitationele Schwinger-effect, wat me persoonlijk erg onwaarschijnlijk lijkt omdat er deeltjes uit negatieve energie ontstaan, en de al even intuïtief moeilijk verdedigbare zwaartekrachtsafstoting tussen materie en antimaterie. Immers, de energie waar materie en antimaterie uit ontstaan, oefent een positieve zwaartekracht uit. Wel is het uiteraard in theorie mogelijk dat er een ander afstotingseffect bestaat, zoiets als het Pauliverbod (al is ook dat nogal vergezocht).

Hajducovic gaat verder: zo denkt hij dat zwaartekracht leidt tot kwantumpolarisatie van het vacuüm en daardoor tot donkere materie. [3] Hij claimt een opmerkelijke overeenkomst tussen gemeten donkere materie en de voorspellingen van zijn theorie.

Theorie getest

Hij denkt ook dat het mogelijk is om een van zijn uitgangspunten, dat antimaterie wordt afgestoten door zwaartekracht, te toetsen in een experiment. Precies dat gebeurt nu iop het CERN waar hij nu werkt. Het AEGIS-experiment stelt vast of antiwaterstof opstijgt of juist daalt onder invloed van de aardse zwaartekracht. Een andere test komt van de  Ice Cube Neutrino Telescope op Antarctica, die antineutrino’s van de reusachtige zwarte gaten in het centrum van de Melkweg en dat van onze buur, het Andromedastelsel.Een ding is in ieder geval zeker. Als Hajducovic het bij het rechte eind heeft, zullen de gevolgen op de natuurkunde – en dus uiteindelijk op onze maatschappij – groot zijn.

Bronnen
1. Kirk T. McDonald, Positron production by laser light, Princeton dept. of High energy Physics, 1997
2. Dragan Slavkov Hajdukovic. “Do we live in the universe successively dominated by matter and antimatter?” Astrophys Space Sci (2011)
3. Dragan Slavkov Hajdukovic, Is dark matter an illusion created by the gravitational polarization of the quantum vacuum? Astrophysic Space Science, (2011)

Het patroon van schokgolven dat ontstaat als een klein zwart gat de zon treft.

‘Inslag primordiale zwarte gaten in zon waarneembaar’

Twee natuurkundigen hebben een manier bedacht om de spookachtige mini-zwarte gaten toch waar te kunnen nemen. Gebruik de zon als een enorme zwarte-gat detector.

Zwerven er ontelbare mini-zwarte gaten door het heelal?
Astronomen hebben tot nu toe twee types zwarte gaten waargenomen: superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels en zwartegaten van enkele zonsmassa’s, die vormen als reuzensterren sterven. Er is echter geen reden waarom zwarte gaten van kleinere groottes zich niet kunnen vormen. Volgens veel astronomen leiden de variaties in dichtheid in het vroege heelal vanzelf tot de vorming van relatief kleine zwarte gaten.

Het patroon van schokgolven dat ontstaat als een klein zwart gat de zon treft.
Het patroon van schokgolven dat ontstaat als een klein zwart gat de zon treft.

De kleinste zwarte gaten, zouden nu zijn verdampt. Grotere zwarte gaten met de massa van een asteroïde zouden het tot nu toe nog overleefd kunnen hebben. De vraag is: hoe vinden we ze. Diverse theoretici hebben voorgesteld op hun lenseffect te letten (massieve objecten, zoals zwarte gaten, buigen ruimtetijd om hen heen,  waardoor ze werken als zwaartekrachtslens, wat te merken is als er bijvoorbeeld een ster wordt verduisterd). Ook de gamma-uitbarstingen die ontstaan als de zwarte gaten uiteenvallen, zijn detecteerbaar. Geen van deze methoden heeft tot nu toe echter definitief bewijs opgeleverd.

De zon als zwart gat-detector
Michael Kesden van New York University en Shravan Hasanoge van Princeton Universiteit in New Jersey hebben nu een andere methode bedacht. Gebruik de zon als zwarte-gat detector. Volgens hen is het effect van een oer-zwarte gat dat inslaat in de zon gemakkelijk waarneembaar.

Een dergelijke gebeurtenis betekent niet dat de zon wordt opgeslokt en we zullen bibberen van de kou. In feite is de kans veel groter dan een oer-zwarte gat met een massa van een asteroïde of komeet dwars door de zon heen zal vliegen, waarbij een kleine uitbarsting van röntgenstraling plaatsvindt. Een dergelijke uitbarsting zou zelfs nog kleiner zijn dan de achtergrondstraling van zonne-röntgenstraling, dus onmogelijk door astronomen waargenomen kunnen worden. Echter: de botsing levert ook een supersonische verstoring op die de zon zal laten rinkelen als een bel. Zwarte gaten worden immers niet afgeremd in het gas van de zon en verdampen niet.

Beide heren hebben in dit artikel berekend hoe deze turbulenties er uit uit zouden zien. Hun conclusie is dat deze turbulenties nu al waarneembaar zijn als een vorm van zonnehik. Mogelijk hebben we dit allang waargenomen zonder dat onderzoekers beseften wat het was.

Zonneonderzoekers zullen nu waarschijnlijk als bezetenen hun data gaan controleren en vaststellen of inderdaad tekenen van deze zwarte-gat botsingen voorkomen in hun waarnemingsdata. Als ze die inderdaad vinden, zullen ze deze uiteraard snel publiceren en wereldkundig maken.

Zwarte oergaten zijn volgens de meeste modellen echter nogal zeldzaam. Botsingen met de zon zullen zeldzaam zijn, met lange tussenpozen. Volgens Kesden en Hasanoge is het daarom interessanter te kijken hoe andere sterren vibreren. Hoe dan ook: deze vibraties zullen veel meer vertellen over de processen die in deze andere sterren plaatsvinden – en hiermee ons ook helpen de zon beter te begrijpen.

Volgens Pace en Aaron van Devender hoeven we ons geen zorgen te maken dat de aarde door micro-zwarte gaten wordt opgevreten. Atomen blijven er in een schil omheen zitten.

‘Zwarte gaten vormen atomen’

Kleine zwarte gaten verdampen uiteindelijk in een grote explosie. Dat voorspelt Hawkings model van zwarte gaten. Wat als hij niet gelijk heeft? Dan zouden zeer kleine zwarte gaten wel eens een soort atomen kunnen vormen. En kunnen we sporen van ze waarnemen.

Er worden twee soorten zwarte gaten voorspeld. ‘Standaard’ zwarte gaten ontstaan als een zware ster uiteindelijk ineenstort tot een zwart gat (en zijn dus ook enorm groot).
Primordiale zwarte gaten, waarvan het bestaan niet zeker is (al wijzen bepaalde gamma-explosies op hun bestaan) zouden ontstaan zijn vlak na de Big Bang en hebben ongeveer de massa van een grote berg (zijn dus extreem klein, kleiner dan een atoom). Er zou, denken enkelen, overigens ook een derde type zwart gat kunnen bestaan, dat in een cyclisch universum de Grote Krak en daarna de Big Bang heeft overleefd.

In theorie zouden deze zeer kleine zwarte gaten atoom voor atoom eten. Natuurkundigen Pace VanDevender van Sandia National Labs en Aaron VanDevender hebben nu berekend dat dat niet klopt. Op atomaire schaal is de sterkte van de zwaartekracht van een primordiaal zwart gat vergelijkbaar met de elektromagnetische kracht die normale atomen bij elkaar houdt. Beide natuurkundigen denken daarom dat andere atomen zich door kwantumzwaartekrachteffecten in een baan om het micro-zwarte gat gaan nestelen. Er ontstaan dan een vorm van gravitatieatomen met opmerkelijke eigenschappen.

Volgens Pace en Aaron van Devender hoeven we ons geen zorgen te maken dat de aarde door micro-zwarte gaten wordt opgevreten. Atomen blijven er in een schil omheen zitten.
Volgens Pace en Aaron van Devender hoeven we ons geen zorgen te maken dat de aarde door micro-zwarte gaten wordt opgevreten. Atomen blijven er in een schil omheen zitten.

Zeer kleine zwarte gaten (zoals die in het CERN gevormd zouden worden) zouden zo klein zijn, dat zelfs thermische ruis al voldoende is om atomen te laten ontsnappen. Grotere zwarte gaten met een massa van tien tot duizend ton zijn wel voldoende sterk om atomen gevangen te houden en zouden dus omringd moeten zijn door atomen als silicium en ijzer. Dergelijke objecten zijn, denkt het tweetal, waarneembaar als ze op aarde inslaan. Volgens hun berekeningen worden de zwarte gaten losgetrokken van de atomen en is dit waar te nemen als een radiosignaal.
“Een zoektocht naar elektromagnetische signalen van de gravitatieatomen moet zich daarom focussen op snel bewegende, niet-geïdentificeerde RF-bronnen in de ruimte rondom de aarde,” aldus de twee.

Dit past zeker binnen de mogelijkheden van de bestaande waarnemingsapparatuur. Immers, hierbij kan je de gehele dampkring van de aarde gebruiken als een natuurlijke, gigantische zwarte-gat detector. Bij een experiment kan vrij gemakkelijk de golflengte afgeluisterd worden waarbij op aarde inslaande micro-zwarte gaten inslaan, radiostraling uitzenden. Wordt hun bestaan inderdaad aangetoond, dan hebben we weer een nieuwe kandidaat er bij voor donkere materie.

Met mini-zwarte gaten zou je allerlei handige dingen kunnen doen. Als je een zestal kleine zwarte gaten als een zeshoek, in elkaars Lagrangepunten, extreem snel laat rondtollen, zou je een soort Lense-Thirringeffect antizwaartekrachtsgenerator kunnen bouwen. Helaas (of gelukkig; vraatzuchtige zwarte gaten zijn bepaald geen prettige buren) hebben ze volgens Hawking dus de onhebbelijke eigenschap te ontploffen.


Bronnen

1. A. en P. van Devender, Structure and Mass Absorption of Hypothetical Terrestrial Black Holes, Arxiv, 2011
2. Mini Black Holes Could Form Gravitational Atoms, MIT Technology Review 2011