zwart gat

Kleine zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van Neptunus, zijn zo groot als een voetbal en daarmee onzichtbaar van grote afstand.

Wat als: Planeet Negen een zwart gat is?

4 reacties / Ideeën, natuurkunde, Visionaire vragen, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 19 oktober 2019

Iets, ver weg in de duistere regionen van de Oort-gordel, schopt planetenbanen ernstig in de war. Pogingen om Planeet Negen te vinden zijn tot nu toe echter faliekant mislukt. Enkele astronomen komen nu met een gedurfde theorie. Planeet 9 is geen planeet van 15 aardmassa’s, maar in werkelijkheid een zwart gat. Een zwart gat met de massa van een ijsreus of kleine gasreus is klein in afmeting, vrijwel onzichtbaar en is stabiel. Kan dit kloppen? En moeten we ons zorgen maken door de nabijheid van dit allesvernietigende object?

De jacht op Planeet Negen
De ijsreus Neptunus werd laat in de negentiende eeuw ontdekt aan de hand van verstoringen in de planeetbaan van Uranus. Toch verklaarde Neptunus, en de later ontdekte algemene relativiteitstheorie, niet alle afwijkingen in planeetbanen. De speurtocht naar een nieuwe, onbekende planeet begon. Na de ontdekking van Pluto door Clyde Tombaugh in de dertiger jaren bleef het een tijdje stil. Pluto verkreeg beroemdheid als de laatste planeet.  Betere telescopen onthulden dat Pluto veel te klein is om deze zwaartekrachtsafwijkingen te kunnen veroorzaken. Met 0,2 procent van de massa van de aarde is Pluto zes keer kleiner dan de maan. En: Pluto blijkt slechts de eerst ontdekte vertegenwoordiger van een klasse ijsachtige objecten, de dwergplaneten of plutino’s.

Tot nu toe zijn alle pogingen om Planeet Negen te vinden mislukt. Wel hebben we een profiel: het gaat om een object van ongeveer tien tot vijftien maal zo zwaar als de aarde[1]. Hiermee komt de massa in de buurt van de ijsreuzen Uranus en Neptunus. Een planeet met deze grootte is niet te missen. Onze telescopen zijn nu zo goed, dat zelfs op zeer grote afstand, een Neptunus-achtig object duidelijk zichtbaar zou moeten zijn.

Mini-zwarte gaten
Hoe verstop je vijftien aardmassa’s? Het voor de hand liggende antwoord: een zwart gat. Zwarte gaten zijn relatief klein, extreem compact en laten zelfs geen licht ontsnappen. Alleen: we kennen slechts zwarte gaten die groter zijn dan enkele zonsmassa’s, de overblijfselen van ineengestorte sterren of de enorme zwarte gaten (denk aan miljoenen zonsmassa’s) in het centrum van sterrenstelsels. In theorie zijn kleinere zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van de maan of de aarde, stabiel. Hawkingstraling is te zwak om dergelijke zwarte gaten uit elkaar te laten vallen tussen het moment van het ontstaan van het heelal en nu. Alleen kennen we geen realistisch mechanisme om dergelijke mini-zwarte gaten te scheppen.
Dat we een dergelijk mechanisme niet kennen, hoeft echter niet te betekenen dat dat mechanisme (en daarmee mini-zwarte gaten) niet bestaat. Onze kennis is verre van volledig. Het zal niet de eerste keer zijn dat we iets totaal onverwachts ontdekken.

Kleine zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van Neptunus, zijn zo groot als een voetbal en daarmee onzichtbaar van grote afstand.
Kleine zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van Neptunus, zijn zo groot als een voetbal en daarmee onzichtbaar van grote afstand. – Wikimedia Commons

Hoe kunnen we een mini-zwart gat waarnemen?
De diameter van de waarnemingshorizon van een zwart gat is recht evenredig aan de massa. Als de zon samengeperst zou worden tot een zwart gat, zou de waarnemingshorizon een doorsnede hebben van zes kilometer. De aarde zou een zwart gat opleveren met de grootte van een forse knikker, 18 mm doorsnede. ‘Planeet Negen’, met vijftien aardmassa’s, zou dus een doorsnede hebben van 1,8 x 15 = 27 cm. Dit is uiteraard veel te klein om op deze enorme afstand waar te kunnen nemen. Dit zou verklaren, waarom we “Planeet Negen” nog niet hebben gevonden. Er bestaat echter een manier om dergelijke zwarte gaten indirect waar te nemen. Ze verbuigen namelijk de ruimte om zich een zeer sterk. Met andere woorden: er ontstaat een zwaartekrachtslens. Dit zwaartekrachtslens-effect is wel vrij goed waar te nemen met moderne telescopen. Sterposities gaan namelijk verschuiven, als een mini-zwart gat (of ander zwaar object) tussen een ster en de telescoop beweegt. Dit is precies wat het Poolse onderzoeksprogramma Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) waargenomen heeft, elders in het Melkwegstelsel. Zware objecten met een massa rond de vijf  aardmassa’s blijken door het Melkwegstelsel te zwerven. Dit kunnen zwerfplaneten zijn, de conventionele verklaring. Maar wat, als het in werkelijkheid primordiale zwarte gaten, overblijfselen van de Big Bang, zijn? En als de zon één van deze zwarte gaten heeft ingevangen?

Als Planeet Negen inderdaad in werkelijkheid een zwart gat is, dan zouden we een sterk lenseffect moeten kunnen waarnemen op relatief korte afstand van de aarde. Dat zou inhouden dat een bewegende telescoop, bijvoorbeeld aan boord van een satelliet, een sterke verschuiving van de zwaartekrachtslens zou waarnemen. Dit effect is te vergelijken met bijvoorbeeld dat van de schijnbare cirkelvormige beweging die nabije sterren als Alfa Centauri maken in de loop van een jaar. Dit weerspiegelt de veranderende positie van de aarde in de loop van het jaar. Door de auteurs wordt nog een tweede mogelijkheid genoemd. Als bepaalde theorieën over donkere materie juist zijn, moet er gammastraling vrij komen als donkere materie in het zwarte gat valt. Dit kan waar worden genomen als een zwakke gammabron.

Moeten we ons zorgen maken, als blijkt dat Planeet 9 inderdaad een zwart gat is?
Nee. De omloopbaan van ‘planeet 9′ is voor zover we weten, stabiel. Een zwart gat van enkele aardmassa’s dat in de buurt van de aarde zou komen zou inderdaad een verwoestende uitwerking hebben op onze planeet, maar dat zou een ’traditionele’ superaarde of ijsreus die de aarde zo dicht nadert ook hebben, puur en alleen door het enorme zwaartekrachtsveld. Er is alleen een indirect gevaar. Banen van kometen en planetoïden in de buurt kunnen richting het binnenste deel van het zonnestelsel worden afgebogen. Inslagen van planetoïden hebben in het verleden verwoestende gevolgen gehad op de aarde. Denk aan het uitsterven van bijna alle dinosauriërs en andere groepen dieren, rond de 65 miljoen jaar geleden.

The Unreasonable Efficiency of Black Holes

Overvloedige energie
De nabijheid van een zwart gat zou juist goed nieuws zijn (zie deze video). Niet alleen zou het spectaculaire experimenten mogelijk maken. Zwarte gaten behoren namelijk tot de efficiëntste energieomzetters die we kennen. Als materie in een spiraalvormige baan in het zwarte gat valt en we al deze energie af konden tappen, zou in dit theoretische geval zo’n 6 procent (bij een stilstaand zwart gat) tot 42% (bij een zeer snel roterend zwart gat) van de massa in pure energie omgezet kunnen worden. Ter vergelijking; kernfusie zet slechts 0,7% van de massa om in energie. Zelfs in het ongunstigste geval van 6%, zou dit een zeer overvloedige energiebron betekenen. Het netto wereldenergieverbruik ligt in 2019 rond de 115 000 TWh. In massa uitgedrukt is dit 4,6 ton, het gewicht van een olifant. Als we zes procent van massa in energie konden omzetten, zou dit slechts 77 ton massa, willekeurige massa want zwarte gaten zijn niet kieskeurig, per jaar vergen om de gehele aarde een jaar van energie te voorzien. Dit is ongeveer het gewicht van een kleine blauwe vinvis. Per jaar. Kortom: we zouden wel eens onverwacht veel plezier van een zwart gat kunnen hebben.

Bronnen
1. Batygin, Konstantin and Brown, Michael E. (2016) Evidence for a Distant Giant Planet in the Solar System. Astronomical Journal, 151 (2). Art. No. 22. ISSN 0004-6256.
2. Jakub Scholtz, James Unwin, What if Planet 9 is a Primordial Black Hole? ArXiv pre-press server, 2019

Artist impression van een zwart gat met accretieschijf. Bron: NASA

‘Tijd loopt achteruit in zwart gat’

3 reacties / Ideeën / Door / 16 april 2016

De algemene relativiteitstheorie van Einstein wijst uit dat de tijd achteruit loopt in een zwart gat. Dat blijkt uit nieuw onderzoek, gepubliceerd in het gezaghebbende natuurkundevakblad Physical Review Letters.

Tijd gaat langzaam in de buurt van een zwart gat
Zwarte gaten, ineengestorte sterren die zo zwaar en dicht zijn dat je sneller dan het licht moet reizen om er aan te ontsnappen, zijn een van de spectaculairste voorspellingen van de algemene relativiteitstheorie. In een sterk zwaartekrachtsveld, zoals dat in de buurt van een zwart gat, gaat de tijd veel langzamer, vergeleken met een plaats ver weg van alle zwaartekrachtsbronnen. Op de waarnemingshorizon zelf staat de tijd (gezien vanuit het ruimtetijd-referentieframe) stil. Voor een waarnemer in de buurt van het zwarte gat is dit niet direct waar te nemen. Immers zijzelf, en alle processen in haar omgeving, dus ook klokken, lijken zich ‘normaal’ te gedragen. Wel ziet de waarnemer een enorme blauwverschuiving en lijken objecten buiten het zwaartekrachtsveld van het zwarte gat, bijvoorbeeld een ruimteschip op grote afstand van het zwarte gat, veel sneller te bewegen.

Gaat de tijd achteruit in een zwart gat?
Een belangrijk principe in de natuurkunde is continuïteit. Abrupte overgangen, bijvoorbeeld de scherpe grenzen van een wiskundig veelvlak als een kubus of tetraëder, komen alleen voor in de wiskunde, niet in natuurkunde. Voor een waarnemer die de waarnemingshorizon overschrijdt, de bolschil rond het zwarte gat van waar voorbij geen terugkeer mogelijk is, mag er dus geen duidelijk waarneembare abrupte verandering zijn. Als de tijd op de waarnemingshorizon stilstaat, moet de tijd binnen de waarnemingshorizon, het eigenlijke zwarte gat, achteruit lopen. Dit intuïtieve vermoeden wordt nu bevestigd door de wiskundige analyse van Raphael Bousso, docent aan de University of California, Berkeley en Lawrence Berkeley National Laboratory, en Netta Engelhardt, een masterstudent aan de University of California, Santa Barbara.

A Journey into a Black Hole

Weet een zwart gat wat er in de toekomst gebeurt?
In de klassieke manier om de waarnemingshorizon van een zwart gat te beschrijven, wordt aangenomen dat het zwarte gat alles weet wat er in de toekomst buiten het zwarte gat gebeurt. Deze aanname maakt het rekenwerk makkelijker, maar is nogal absurd. Geen wonder dat natuurkundigen nadenken over een meer elegante manier om een zwart gat te beschrijven. Dat lijkt het tweetal gelukt te zijn met hun holographic screens, ‘holografische schermen’. Holografische schermen die zich in de toekomst uitbreiden (dus: weg van het centrum van het zwarte gat) hangen samen met een ander zwaartekrachtsveld dan holografische schermen die zich terug in de tijd bewegen (richting het centrum van het zwarte gat). Deze uitleg is puur lokaal en kan een waarnemer op de waarnemingshorizon direct waarnemen. Wel betekent dit dus dat de tijd binnen de waarnemingshorizon terugloopt.

Artist impression van een zwart gat met accretieschijf. Bron: NASA
Artist impression van een zwart gat met accretieschijf. Bron: NASA

Betekent dit dat je terug in de tijd kan reizen?
Vergeet niet dat een zwart gat, voor zover we dan weten, alleen via de waarnemingshorizon toegankelijk is. Je kan inderdaad terug in de tijd reizen, maar alleen terug in de lokale tijdpijl van het zwarte gat. Terwijl je in een sliert spaghetti wordt veranderd tijdens je reis, zal je niet in staat zijn terug te keren naar dit heelal. Tenzij een zwart gat ook een wormgat is – een ’tunnel’ langs ruimtetijd waarvan het bestaan ook wordt voorspeld door de Algemene Relativiteitstheorie.  In dat geval zou je door het wormgat kunnen reizen richting een andere lokatie in het universum, een andere tijd of misschien zelfs wel naar een ander universum. Wel moet het zwarte gat dan een roterend Kerr-zwart gat zijn, anders eindig je in brokjes aan de andere kant.

Bron
Raphael Bousso and Netta Engelhardt. “A New Area Law in General Relativity.” Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.081301
Vormen zwarte gaten de poort naar een ander universum? Bron: NASA

Leven we in een zwart gat?

21 reacties / Ideeën, natuurkunde, Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door / 29 december 2015

Een zwart gat is een astronomisch object, waarvan voorbij de waarnemingshorizon de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet meer kan ontsnappen. Het is een plaats, waar de natuurwetten zoals we die kennen ophouden te bestaan. Maar wat als we zelf in een zwart gat leven?

Big Bang en singulariteit
Wiskundigen noemen iets een singulariteit, als op dit punt een functie zich ‘raar’, discontinu, gaat gedragen. Bijvoorbeeld omdat er gedeeld wordt door nul. De natuurkunde hangt van wiskunde aan elkaar, waardoor ook natuurkundigen het begrip ‘singulariteit‘ zijn gaan gebruiken voor punten in natuurkundige theorieën waarop oneindigheden optreden. Een bekend voorbeeld is het punt in een zwart gat, waarbinnen zich alle materie ophoopt, dat de singulariteit wordt genoemd. Volgens Einsteins Algemene Relativiteitstheorie is dit een punt met een grootte nul en oneindige dichtheid (al kan je met een ander coördinatenstelsel dit probleempunt ontwijken). Ook het heelal is naar alle waarschijnlijkheid begonnen als een dergelijk punt: de Big Bang. Dit heeft sommige kosmologen geïnspireerd om de vraag te tellen: wat als het heelal zoals wij dat kennen, het binnenste van een zwart gat is?

Vormen zwarte gaten de poort naar een ander universum? Bron: NASA
Vormen zwarte gaten de poort naar een ander universum? Bron: NASA

Zou het heelal in een zwart gat kunnen liggen?
Opmerkelijk genoeg: ja. Hiervoor moet je bedenken dat de waarnemingshorizon van elk zwart gat een diameter heeft, die evenredig is met de massa. Een zwart gat van twee aardmassa’s heeft dus een doorsnede (34 mm) die twee keer zo groot is als die van een zwart gat met die van de aarde (ongeveer 17 mm, de grootte van een twee-eurocentstuk). Een zwart gat met een zonsmassa is ongeveer 6 km in doorsnede. Dat klopt precies: de zon is enkele honderdduizenden keer zwaarder dan de aarde. Uiteraard is de dichtheid van het zonne-zwarte gat veel kleiner dan dat van de aarde. We kunnen doorgaan: als alle massa van de Melkweg, rond de biljoen (1.000.000.000.000) maal die van de zon, in een zwart gat zou worden gepropt, ontstaat een zwart gat groter dan het zonnestelsel. Wordt alle massa van het waarneembare heelal in een zwart gat gestort, dan is de waarnemingshorizon van het zwarte gat zo groot als: inderdaad, de rand van het waarneembare heelal…

Omgekeerde Big Bang
Het idee lijkt absurd. Toch is de structuur van ruimtetijd binnen een zwart gat zo vreemd, dat het heelal een vorm hiervan zou kunnen zijn (al wijkt dit type dan wel sterk af van de bekende Schwarzschild- en Kerr-oplossingen). De tijdpijl zou dan andersom lopen. Ben je eenmaal binnen de waarnemingshorizon, dan word je onherroepelijk de singulariteit ingezogen. Als je tegenstribbelt nog sneller. Net zoals de tijd vertraagt, als je snelheid de lichtsnelheid nadert. Als het zwarte gat zo groot is als het waarneembare heelal, zou het er binnen wel eens uit kunnen zien als in ons heelal. Het Einde der Tijden zou dan optreden aan de waarnemingshorizon. Of, volgens een nieuwe theorie van Stephen Hawking, is deze waarnemingshorizon een poort naar een ander heelal. Dit zou goed nieuws zijn. We kunnen dan als ons heelal ten dode is opgeschreven, ontsnappen, naar een nieuw, jong universum.

Meer informatie
Is the Big Bang a black hole?, Philip Gibbs, 1997
Black holes are a passway to another universe, says Stephen Hawking – The Independent, 2015

Wit gat. Bron/copyright: daviddarling.info

Wat zijn witte gaten?

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door / 11 oktober 2015

Zwarte gaten doken op als wiskundige oplossing van de algemene relativiteitstheorie, ontdekte de Duitse wiskundige Schwarzschild in 1916 aan het oostfront. Minder bekend onder het grote publiek is dat er een tweede oplossing bestaat, die wiskundig gezien even consistent is: het witte gat. In deze video meer over witte gaten.

What Are White Holes? When Interesting Math Gets a Cool Name

 

Een wit gat is een object, waar je alleen met snelheden hoger dan de lichtsnelheid binnen kan komen. Het tegenovergestelde van een zwart gat dus.  Volgens sommige kosmologen vormen zwarte en witte gaten paren, die via wormtunnels verbonden zijn. Via die wormtunnels zou je dan naar een andere tijd, een andere plaats of misschien zelfs naar een ander heelal kunnen reizen.

Wit gat. Bron/copyright: daviddarling.info
Wit gat. Bron/copyright: daviddarling.info

Volgens andere kosmologen kunnen witte gaten niet bestaan, omdat ze de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica lijken te overtreden. Iets waar je de gemiddelde natuurkundige geen plezier mee doet, wat ook de reden is dat witte gaten als theoretische objecten een kwijnend bestaan leiden.

We kennen voorbeelden van astronomische objecten die vanwege hun extreme dichtheid niets anders kunnen zijn dan een zwart gat. We kennen geen voorbeelden van witte gaten. Dat hoeft echter niet te betekenen dat ze niet bestaan. Wie weet was de Big Bang in feite een wit gat, zoals een handjevol kosmologen denkt.

Astrofysici Aron Retter en Schlomo Heller van de Universiteit van Tel Aviv in Israël denken dat witte gaten de oorzaak zijn van de raadselachtige gammaflitsen[1]

Bron:
1. A. Retter en S. Heller, The Revival of White Holes as Small Bangs, ArXiv prepress (2011), daarna geaccepteerd in New Astronomy.

Tien opmerkelijke weetjes over zwarte gaten

2 reacties / natuurkunde, Universum, Wetenschap / Door / 21 januari 2015

Test je algemene kennis over zwarte gaten. Wist je bijvoorbeeld al dat zwarte gaten vijftig keer zo veel energie per kilogram leveren als de veelbejubelde kernfusie, en dat een zwart gat in de buurt onze energieproblemen zou oplossen?

10 Mind-Bending Facts About Black Holes

De algemene relativiteitstheorie voorspelt dat er massaconcentraties bestaan, waarbij zelfs licht niet meer kan ontsnappen: zwarte gaten. Hoewel er nog niet 100% zeker is vastgesteld dat zwarte gaten inderdaad bestaan, zijn er wel meerdere verschijnselen aangetroffen die alleen door middel van een zwart gat zijn te verklaren. De kleinst bekende zwarte gaten hebben een massa van enkele zonsmassa’s, de grootste van vele miljoenen zonsmassa’s.
blackhole

Geliefden herenigd in zwart gat

6 reacties / Ideeën, Visionaire vragen / Door / 2 augustus 2013

Kwantumverstrengeling maakt het mogelijk voor geliefden op vele lichtjaren afstand om elkaar toch te ontmoeten. Nadeel: om dit plannetje uit te voeren moet je wel wat zware sterren opstoken, maar dan heb je ook wat: enkele fracties van seconden tot enkele weken samen in een kwantumverstrengeld zwart gat.

Het recept gaat ongeveer zo.
Neem een enorme hoeveelheid kwantumverstrengeld licht, verdeel dit over beide geliefden (laten we ze Alice en Bob noemen) en fabriceer er twee zwarte gaten van. Spreek vervolgens een tijdstip af dat je er allebei tegelijk in springt. Als de zwarte gaten maar groot genoeg zijn, bijvoorbeeld omdat je een paar dwergsterrenstelsels opstookt, kan je tot enkele weken samen doorbrengen voor je in stukjes wordt vermalen.

Dan moet de nieuwe theorie van snaarbeoefenaars Juan Maldacena en Leo Susskind, volgens welke dit mogelijk is, natuurlijk wel kloppen. Hoewel kwantumverstrengeling overtuigend is aangetoond, geldt dit niet voor zwarte gaten. Hoewel we objecten kennen die alleen te verklaren zijn door aan te nemen dat het zwarte gaten zijn (bijvoorbeeld Sgr A in het centrum van de Melkweg), is niet bekend hoe zwarte gaten zich binnen de waarnemingshorizon gedragen. Wacht dus nog even met springen. Het is vermoedelijk slimmer om de kwantumfunctie van Alice of Bob te klonen (waarbij je het no-cloning theorem omzeilt door ‘slechte’ kopieën te maken) en die als laserbundel te versturen. Diot kost veel minder energie.

Bron
Leonard Susskind en Juan Maldacena, Cool horizons for entangled black holes, Arxiv preprint (2013)

De grootste zwarte gaten van het universum

9 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 13 augustus 2012

In deze iets meer dan een kwartier durende korte documentaire maak je een reis langs mysterieuze objecten waar in de buurt in zekere zin zelfs de tijd ophoudt te bestaan: zwarte gaten.

Er zijn zwarte gaten van enkele zonsmassa’s, bekend als stellaire zwarte gaten en zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s in het centrum van sterrenstelsels. Althans: deze zijn min of meer aangetoond. Er zijn hypothetische mini-zwarte gaten, die verantwoordelijk zouden zijn voor sommige mysterieuze gamma-uitbarstingen.

Volgens de algemene relativiteitstheorie zit er in elk stilstaand zwart gat een punt met oneindige dichtheid, de singulariteit. maar... zouden er ook naakte singulariteiten zijn?

‘Naakte singulariteit in vijfde dimensie mogelijk’

54 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 16 januari 2012

Kosmoloog Lehner koos een wel heel ongelukkig moment om Hawking te vertellen dat hij weer een weddenschap verloren heeft: diens zeventigste verjaardag. Als de snaartheorie klopt, bestaan er namelijk punten waar alle natuurwetten op tilt gaan in de vijfde dimensie.

Punt met oneindige dichtheid
Een beetje spijt had Luis Lehner van het Perimeter Institute in Ontario, Canada, wel, maar hij deed het toch. De weddenschap in kwestie ging over de vraag of een singulariteit, een punt met oneindige dichtheid en dus kromming van ruimtetijd, ook buiten de waarnemingshorizon van een zwart gat kan bestaan. Bij een stilstaand zwart gat voorspelt de algemene relativiteitstheorie namelijk dat ruimtetijd instort tot een punt, waar alle natuurkundige wetten die we kennen, niet meer voor gelden. Om een singulariteit wordt de wereld compleet onvoorspelbaar.

Bestaat er een naakte singulariteit?
Om dat punt ligt de waarnemingshorizon van een zwart gat, het grensvlak waarbinnen alles onherroepelijk wordt opgeslokt door het zwarte gat.
Dat scheelt natuurkundigen veel hoofdbrekens, want de waarnemingshorizon beschermt zo de rest van het heelal tegen de singulariteit. Reden voor Hawking om in 1991 met collega’s Kip Thorne en John Preskill de weddenschap aan te gaan, dat dit voor iedere singulariteit geldt. Met andere woorden: naakte singulariteiten bestaan niet. Het heelal zoals we dat kennen blijft altijd netjes voorspelbaar.
Zes jaar later verloor Hawking de weddenschap. Er bleken situaties te bestaan waarin naakte singulariteiten konden bestaan. Wel bleken deze uiterst instabiel: bij de geringste verstoring vormden ze een waarnemingshorizon.

Volgens de algemene relativiteitstheorie zit er in elk stilstaand zwart gat een punt met oneindige dichtheid, de singulariteit. maar... zouden er ook naakte singulariteiten zijn?
Volgens de algemene relativiteitstheorie zit er in elk stilstaand zwart gat een punt met oneindige dichtheid, de singulariteit. Maar... zouden er ook naakte singulariteiten zijn?

Snaartheorie voorspelt naakte singulariteiten in vijfde dimensie
Lehner heeft nu een nieuwe situatie bedacht waarin naakte singulariteiten kunnen bestaan: in de extra dimensies die ons heelal volgens de snaartheorie heeft. Niet als afwijking,maar als regel. 

“Zwarte snaren”
De singulariteit in een zwart gat is te zien als een punt in een vierdimensionale ruimte: drie ruimtedimensies plus de tijd. Als hieraan een vijfde dimensie wordt toegevoegd, verandert de singulariteit in een snaar – de zogenoemde zwarte snaar. Zwarte snaren zijn instabiel en breken uiteen in kleinere zwarte gaten, ongeveer zoals een waterstraal in druppels uiteenvalt. In zijn wiskundige afleiding toonde Lehner aan dat op het moment dat een kleiner zwart gat van de stroom afbreekt, de doorsnede nul is en de dichtheid dus oneindig – met andere woorden, een naakte singulariteit.

Heeft het heelal wel vijf dimensies?
De snaartheorie is nog nooit experimenteel getoetst en hiermee nog steeds omstreden. Fervente snaarhaters (waaronder ikzelf) vragen zich daarom af of er wel iets als snaren bestaan en of het heelal inderdaad meer dan vier dimensies heeft. In feite is er zelfs een theorie (het holografische principe) die stelt dat het heelal maar twee ruimtedimensies heeft, waaruit de derde dimensie als emergente eigenschap tevoorschijn komt. Kortom: Hawking en de andere natuurkundigen  hoeven zich voorlopig nog geen zorgen te maken over hoe ze het gedrag van een naakte singulariteit moeten beschrijven…

Bron
‘Naked black hole hearts live at the fifth dimension’- New Scientist (2012)

Zal de aarde worden vernietigd door een zwart gat, geproduceerd door de LHC?

‘Opgevoerde LHC zou aarde kunnen vernietigen’

7 reacties / Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 8 november 2011

Geen deeltjesversneller is in staat meer energie in een deeltje te proppen dan de Large Hadron Collider in Zwitserland. Zou de LHC een zwart gat kunnen produceren dat de aarde vernietigt of andere akelige gevolgen heeft? Die kans is niet geheel uit te sluiten, denken enkele fysici.

Kunnen deeltjesversnellers micro-zwarte gaten produceren?
Je krijgt volgens de algemene relativiteitstheorie vanzelf een zwart gat, als je maar voldoende massa of energie in een voldoende klein volume propt. De ontsnappingssnelheid wordt zo groter dan de lichtsnelheid. Gelukkig is het veel moeilijk om een klein zwart gat te maken dan een groot, omdat materie of energie voor een klein zwart gat veel sterker samengeperst moet worden. Rond de eeuwwisseling werd echter voor het eerst toch de mogelijkheid geopperd, dat deeltjesversnellers zwarte gaten kunnen maken. Immers: ook deze proppen heel veel energie in een klein volume en hoe meer energie een deeltje krijgt, hoe korter de bijbehorende golflengte. Op een gegeven moment is de golf zo klein en de hoeveelheid energie zo groot, dat er zich vanzelf een waarnemingshorizon en dus een zwart gat vormt.

Zal de aarde worden vernietigd door een zwart gat, geproduceerd door de LHC?
Zal de aarde worden vernietigd door een zwart gat, geproduceerd door de LHC?

Honderd miljard maal te zwak
Daar is alleen wel een monsterachtige hoeveelheid energie voor nodig. Zelfs het allerkrachtigste kosmische deeltje dat ooit waargenomen is, het mysterieuze Oh My God deeltje, was nog factor tienduizend te zwak om deze Planckenergie te bereiken. Ter vergelijking: dit deeltje had tien miljoen maal meer energie dan zelfs onze beste deeltjesversnellers aan een deeltje kunnen meegeven. De LHC zit dus honderd miljard maal onder de Plancklimiet. Kortom: we hoeven ons weinig zorgen te maken volgens de gevestigde natuurkunde.

Er zijn echter enkele mogelijkheden waardoor zich toch microscopische zwarte gaten kunnen vormen. De populairste (onder meer genoemd in de snaartheorie) is de mogelijkheid dat er extra ‘opgerolde’ dimensies zijn die verklaren waarom zwaartekracht relatief zo zwak is. Als dat klopt, is de zwaartekracht bij zeer kleine lengtes veel sterker en is er dus veel minder massa nodig om een zwart gat te maken. Tot nu toe blijkt er uit de LHC-experimenten echter niets van de vorming van welk zwart gat dan ook. De LHC haalde tot nu toe 4,5 GeV, wat die extra dimensies beperkt tot een duizendste nanometer of kleiner (minder dan een procent van de doorsnede van een atoom). Toch kunnen er in de LHC per jaar iets van honderd mini-zwarte gaten geproduceerd worden, als de uiterst speculatieve theorie van de extra dimensies klopt. Snaaradepten geloven dat.

Vier fases van zwartegatvorming
Marcus Bleicher en zijn medeauteurs van het Frankfurter Instituut voor Geavanceerde Studies analyseerden het probleem. Ze gaan er van uit dat er vier fases zijn in de vorming van een micro-zwarte gat. In de eerste fase wordt het pas ontstane object door zwaartekrachtsstraling symmetrisch.  In de tweede fase verliest het zwarte gat massa en draaiing door Hawkingstraling. In de Schwartzschildfase wordt het zwarte gat rond en verliest het minder snel massa. In de Planckfase verdampt het. Alleen de Schwartzschuildfase is goed bekend. Hoe het zwarte gat uiteindelijk verdampt (Planckfase) vereist kwantumzwaartekracht. Hier is nog geen werkende theorie voor. Hiervoor zou het nuttig zijn zwarte gaten rechtstreeks waar te kunnen nemen. De handigste methode is dan de LHC flink op te voeren, zodat er meer en langer levende zwarte gaten worden gevormd. [1]

Is het wel veilig om mini-zwarte gaten te maken?
In theorie wel. Immers: zwarte gaten vertonen Hawkingstraling, waardoor ze voortdurend energie verliezen. Bij grote zwarte gaten met een massa van bijvoorbeeld de aarde, de zon of de Melkweg is deze verwaarloosbaar. Daar kan je dus maar beter ver uit de buurt blijven. Voor een mini-zwarte gat niet. Dat verdampt in een oogwenk, lang voordat het wat voor deeltje ook op heeft kunnen slokken. Aan de andere kant: niemand heeft ooit een zwart gat van dichtbij gezien. Kwantumzwaartekracht is zoals gezegd uiterst speculatief. We weten niet of zwarte gaten op deze schaal zich niet heel anders gaan gedragen dan voorspeld. De reden dat de enorme LHC versneller is gebouwd, is nu juist dat we dingen willen waarnemen die we niet kunnen voorspellen.

Veiligheidsberekeningen bleken al eerder niet te kloppen
Technology Review wijst erop dat CERN en de Amerikaanse RHIC er al eerder flink naast zaten met hun schattingen van de veiligheidsrisico’s. Ook werden deze berekend door natuurkundigen van het CERN, die er uiteraard geen belang bij hebben hun veelbelovende onderzoek (en carrière) om zeep te helpen. Het blog pleit er daarom voor om een onafhankelijk onderzoek naar de veiligheidsrisico’s te laten doen. Want als het misgaat, gebeurt er mogelijk iets als in onderstaand filmpje.

The Black Hole That Swallowed The Earth

Aarde overleeft al 4,5 miljard jaar kosmische straling
Aan de andere kant: we hebben al gezien dat de aarde voortdurend getroffen wordt door zeer krachtige kosmische straling. De vangst van het Oh My God deeltje was een toevalstreffer, maar waarschijnlijk treft een veelvoud van veel krachtiger deeltjes dan dit deeltje voortdurend de aarde. En we leven nog steeds. Kortom: erg veel zorgen hoeven we ons mijns inziens niet te maken. Maar toch. We hebben maar één planeet. Laten we daar zuinig op zijn.

Bronnen
1. M. Bleicher et al., Micro Black Holes In The Laboratory, ArXiv (2011)
2. Black holes, safety and the LHC upgrade, Technology Review (2011)

Video: reis in een zwart gat

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door / 3 november 2011

Hou zou het zijn door een zwart gat te reizen, naar het punt waar ruimte en tijd ophouden te bestaan? Check deze video.

Een zwart gat is een bizar, door de algemene relativiteitstheorie van Einstein beschreven verschijnsel. Zwarte gaten ontstaan door opgebrande, ineenstortende sterren. Ook in het centrum van ons melkwegstelsel bevindt zich een – veel groter – zwart gat. Volgens sommigen vormen zwarte gaten wormgaten waar we doorheen kunnen reizen naar een andere plek in het heelal, of zelfs een ander heelal. Volgens anderen is een zwart gat domweg het meest vernietigende natuurverschijnsel dat de wetenschap kent, waaraan zelfs licht niet kan ontsnappen. Nieuwsgierig? Start de video voor de reis.

A Journey into a Black Hole