zwarte gaten

De stabiele omloopbanen in een zwart gat hebben een uiterst bizarre vorm.

‘Planetenstelsel binnen zwart gat mogelijk’

63 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 19 november 2021

Ongelofelijk maar waar: planeten kunnen een stabiele baan afleggen binnen bepaalde typen zwarte gaten. Ze draaien hierbij om singulariteiten, ontdekte de Russische fysicus Vyacheslav Dokuchaev.

De directe omgeving van actieve zwarte gaten zendt veel röntgenstraling uit. Bron: NASA’s Goddard Space Flight Center

Wat zijn zwarte gaten?
Zwarte gaten worden voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Een zwart gat is een gebied in de ruimte met een ontsnappingssnelheid groter dan de lichtsnelheid. Als gevolg hiervan kan zelfs licht niet ontsnappen (met als gevolg dat alles binnen de waarnemingshorizon van een zwart gat onzichtbaar is). Alles binnen de waarnemingshorizon eindigt binnen korte tijd onherroepelijk als een spaghettisliert die in een razend tempo in een punt met oneindige dichtheid, de singulariteit, samen wordt geperst. Er zijn enkele verschijnselen in ons melkwegstelsel, zoals de röntgenbron Cygnus X-1 en het extreem zware object Sagittarius A* in het centrum van ons melkwegstelsel, die het beste verklaard kunnen worden door aan te nemen dat het hier om zwarte gaten gaat.

Kortom, niet echt objecten waarbinnen planeten zouden kunnen bestaan, zou je op het eerste gezicht zeggen. Echter, schijn bedriegt, zo blijkt uit berekeningen. Er zijn namelijk bepaalde typen zwarte gaten met meerdere singulariteiten  waarbinnen een stabiele omloopbaan mogelijk is. Dit is dan direct de meest bizarre omloopbaan ooit berekend. Het gaat hier om roterende of elektrisch geladen zwarte gaten (in vaktermen: Kerr- of Nordström zwarte gaten). In deze typen zwarte gaten vormen de singulariteiten niet punten, maar lussen. In een zwart gat worden ruimte en tijd met elkaar verwisseld. Leven zoals we dat hier kennen is daar onmogelijk.

De stabiele omloopbanen in een zwart gat hebben een uiterst bizarre vorm.
De omloopbaan van planeten binnen zwarte gaten zijn zeer bizar.

Eilandje van normaliteit
Het is echter bekend dat in Kerr– en Reissner-Nordström zwarte gaten een tweede (Cauchy) horizon bestaat, waarbinnen ruimte en tijd weer hun bekende configuratie innemen. Dokuchaev berekende dat binnen deze horizon stabiele omloopbanen mogelijk zijn. Deze hebben een rijke structuur (natuurkundigen-speak voor een ingewikkelde structuur). Objecten in deze baan worden helder verlicht door de singulariteiten en door fotonen die hier gevangen zitten. In principe, stelt Dokuchaev, zijn dus planeten met eventueel leven op deze plek denkbaar. Hij stelt zelfs voor dat vergevorderde beschavingen het binnenste van een zwart gat koloniseren. Het is namelijk de beste plek om het einde van het heelal zo lang mogelijk te overleven en de bizarre natuurkunde in dit gebied is waarschijnlijk zeer interessant voor allerlei toepassingen die we nu nog net kunnen overzien.

Een dergelijke beschaving zou wel te kampen hebben met de extreem energierijke straling in dit gebied en mogelijk schendingen in causaliteit – met andere woorden: fundamenteel onvoorspelbare en onverklaarbare dingen. Kortom: ideaal geschikt voor mensen die van onverwachte dingen houden.

Bronnen:
Arxiv blog
ArXiV

Singulariteiten, punten waar natuurwetten onzinnige waarden opleveren, worden daarom intens gehaat door natuurkundigen.

Leven na de dood in zwarte gat

14 reacties / Filosofie, Universum, Wetenschap / Door / 26 december 2010

Volgens een nieuwe theorie leef je voort als je in een zwart gat valt. Als geest, elders in het heelal.

Toegegeven: je moet er wel voor in de snaartheorie geloven en het experimentele bewijs daarvoor (niets, zelfs het Higgsdeeltje is nog niet gevonden) vinden we niet echt overtuigend. Daartegenover staat dat bijna alle theoretisch natuurkundigen fervente aanhangers van de snaartheorie zijn. En laten we eerlijk zijn, het idee dat we hierna bespreken is erg interessant voor visionair denkenden.

Zwarte gaten slokken alles op, zelfs licht. Niets kan ontsnappen volgens Einstein en Hawking. Informatie misschien wel, volgens twee fysici.
Zwarte gaten slokken alles op, zelfs licht. Niets kan ontsnappen volgens Einstein en Hawking. Informatie misschien wel, volgens twee fysici.

De gevreesde singulariteiten
Het verhaal begint bij zwarte gaten: objecten, meestal uitgeputte zware sterren, zo zwaar dat ruimtetijd eromheen zich opkrult en de ster afsluit van de rest van het heelal. Naar binnen gaan kan wel, naar buiten nooit meer. Na vele miljarden jaren (de precieze tijd hangt af van de massa, hoe groter hoe langzamer) verdampen de zwarte gaten door middel van Hawkingstraling, een soort warmtestraling.
Volgens Einsteins relativiteitstheorie gaat de ineenstorting door tot alle materie is samengeperst in een wiskundig punt, de singulariteit, waar onze natuurwetten niet meer opgaan. Singulariteiten zijn daarom gevreesde ondingen.

Singulariteiten, punten waar natuurwetten onzinnige waarden opleveren, worden daarom intens gehaat door natuurkundigen.
Singulariteiten zijn punten waar natuurwetten onzinnige waarden opleveren. Ze worden intens gehaat door natuurkundigen.

Geen wonder dat theoretisch natuurkundigen er alles aan doen om van singulariteiten af te komen. Een reden dat de snaartheorie zo populair is, is dat singulariteiten niet voorkomen in de snaartheorie: ruimtetijd bestaat volgens die theorie uit elementaire snaren.

Informatie die verdwijnt in het niets?
Een tweede vervelend probleem met zwarte gaten is de informatieparadox. Stel, je kiepert al je reclamedrukwerk (of aanmaningen van de deurwaarder, dat foeilelijke beeldje van je schoonmoeder of slechte rapportcijfers) in een zwart gat. Dan verdwijnen die voorgoed. Er is geen enkele manier waarop deze informatie terug te halen is.

Dat is in strijd met de kwantummechanica. Deze zegt dat in een waarschijnlijkheidsgolffunctie informatie altijd behouden blijft (in wiskundige termen voor de liefhebber: de Schrödingervergelijking is een unitaire operator die altijd ondubbelzinnige uitkomsten geeft). En met kwantummechanica wil je als natuurkundige geen ruzie hebben, tenzij je Albert Einstein heet: QED, kwantumelektrodynamica, is namelijk verreweg de nauwkeurigste natuurkundige theorie die er bestaat. We kunnen soms tot op veertien decimalen, dat is één op honderd biljoen, nauwkeurig voorspellen hoe een door QED beschreven verschijnsel (het grootste deel van de natuurkunde, de complete scheikunde en daarvan afgeleide wetenschappen bijvoorbeeld) zich gedraagt. Ter vergelijking: G, de zwaartekrachtsconstante die zegt hoe sterk twee kilo’s op een meter afstand elkaar aantrekken, kennen we slechts met een miezerige vier decimalen precies.

Geest ontsnapt uit zwart gat
Weliswaar kan de materie waaruit we bestaan niet ontkomen aan het zwarte gat – Einsteins algemene relativiteitstheorie en ook de snaartheorie zijn daar onverbiddelijk over – er blijkt toch een escape te zijn.

Leven na de dood? Als de theorie van Frolov en Mukohyama klopt, kan informatie door een braantunnel ontsnappen uit een zwart gat.
Leven na de dood? Als de theorie van Frolov en Mukohyama klopt, kan informatie door een braantunnel ontsnappen uit een zwart gat.

Volgens de snaartheorie zijn er namelijk meer dimensies dan vier (lengte, breedte, hoogte, tijd) en sloopt een zwart gat ruimtetijd zo grondig dat de anders verborgen zeven dimensies (hemelen voor de mystici onder u) zichtbaar worden. De theoretisch fysici Valeri Frolov van de universiteit van Alberta in Canada en Shinji Mukohyama van de universiteit van Tokyo denken dat ons heelal in een meerdimensionaal multiversum zweeft en dat het goed mogelijk is dat de meetkunde in het multiversum heel anders is dan die van ons. Met andere woorden: punten die in onze wereld niet met elkaar verbonden zijn, zijn dat in het multiversum misschien wel. De informatie, de geest, van de ongelukkige die in een zwart gat valt, duikt zo misschien op in een heel ander deel van het heelal. Als die informatie bij elkaar blijft, tenminste.

Frolov en Mukohyama noemen dit een braangat (braan is een snaartheorieterm voor een n-dimensionaal vlak, een plat vlak is bijvoorbeeld een 2-braan en een lijn een 1-braan).
Braangaten hebben het nadeel (of voordeel) van alle wormgaten. Je kan er namelijk in principe sneller dan het licht of zelfs door de tijd mee reizen. Je zou dus jezelf in het verleden de winnende combinatie van de lotto kunnen toefluisteren. Of kunnen waarschuwen dat je vooral niet in het zwarte gat moet springen…