Verdampen zwarte gaten echt – en hoe weten we dat?

In 1974 stelde Stephen Hawking voor dat zwarte gaten konden verdampen. Maar begrijpen we hoe dit kan gebeuren?

In 1974 bracht Stephen Hawking een intrigerend idee naar voren: gebruikmakend van de principes van de kwantumfysica voorspelde hij dat, hoewel niets aan de gebeurtenishorizon van een zwart gat zou moeten ontsnappen, deze kosmische beesten daadwerkelijk deeltjes kunnen uitzenden. En door het uitstoten van deze deeltjes zullen zwarte gaten gedurende een zeer lange tijd krimpen, uiteindelijk verdampen en mogelijk exploderen.

Hawking leidde tot een debat dat al meer dan vijftig jaar voortduurt. Het idee dat zwarte gaten verdampen brengt twee fundamentele principes van de natuurkunde – de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica – met elkaar in conflict.

Maar als we aannemen dat Hawking en anderen gelijk hebben, hoe zou een zwart gat dan kunnen verdampen zonder iets achter te laten? Voordat we dit verbijsterende idee onderzoeken, is het belangrijk om te weten dat theoretische natuurkundigen nog steeds debatteren over de vraag hoe het mogelijk is. Maar de afgelopen decennia zijn er een aantal mogelijke verklaringen naar voren gekomen voor de manier waarop zwarte gaten de regels van ons universum lijken te tarten door te verdwijnen.

"We hebben er de afgelopen 50 jaar over gevochten", vertelde Daniel Harlow, een natuurkundige aan het MIT, aan WordsSideKick.com. "Ik zou zeggen dat we het nu een stuk beter begrijpen dan Hawking."

Gerelateerd: Kan een zwart gat het universum verslinden?

Albert Einstein voorspelde het bestaan van zwarte gaten in 1915 met zijn theorie van algemene relativiteitstheorie, die uitlegt hoe zwaartekracht een eigenschap is van de kromming van de ruimte-tijd . Op basis van deze theorie zijn zwarte gaten objecten met veel massa samengeperst in een enkelvoudig gebied, waar de zwaartekracht zo sterk is dat zelfs licht niet aan zijn aantrekkingskracht kan ontsnappen.

"Volgens de algemene relativiteitstheorie kan alles alleen naar binnen gaan [een zwart gat] en kan er nooit iets naar buiten komen", zegt Heino Falcke, een astrofysicus aan de Radboud Universiteit in Nederland die betrokken was bij het vastleggen van de < u>eerste afbeelding van een zwart gat in 2019. "Alles wat erin wordt gegooid, wordt volledig tot een punt verpletterd."

Maar ongeveer 60 jaar later lieten de berekeningen van Hawking zien dat misschien niet alles wordt verpletterd door zwarte gaten. In de kwantummechanica knipperen paren deeltjes – deeltjes en antideeltjes – in en uit het bestaan. Deze deeltjes heffen elkaar meestal op.

Maar Hawking betoogde dat fluctuaties in de velden aan de waarnemingshorizon, het ‘point of no return’ van een zwart gat waarboven niets kan ontsnappen, betekenen dat deze deeltjes niet altijd elkaar opheffen: een van die deeltjes kan in het zwarte gat worden gezogen, terwijl de andere de ruimte in wordt geslingerd en een wolk achterlaat die Hawking-straling wordt genoemd. Naarmate er steeds meer deeltjes worden uitgestoten, beginnen zwarte gaten energie en massa te verliezen en uiteindelijk te verdwijnen, aldus deze theorie.

Dit proces zou erg langzaam verlopen. Het kan 10^67 jaar duren voordat een zwart gat met een massa van de zon volledig is verdampt – langer dan de huidige leeftijd van het universum. En wetenschappers moeten hier nog bewijs voor vinden; zwarte gaten lijken geen thermische straling af te geven, wat betekent dat Hawking-straling mogelijk niet waarneembaar is. Sommige wetenschappers proberen een kijkje te nemen in deze ongrijpbare straling in laboratoria en in kleine zwarte gaten, waarvan wordt aangenomen dat ze sneller zullen verdampen dan die in onze Melkweg.

Paradox van een zwart gat

Het idee van Hawking bevat echter enkele kanttekeningen die tot verwarrende vragen leiden. Verdamping introduceert een raadsel dat de informatieparadox voor zwarte gaten wordt genoemd. Als een zwart gat verdampt en verdwijnt, missen de deeltjes die het achterlaat informatie over de oorspronkelijke staat van de materie. Dit is in strijd met een kernconcept in de natuurkunde – dat een systeem op een bepaald tijdstip zijn toestand op een ander tijdstip moet bepalen of reflecteren – ook wel bekend als voorspelbaarheid.

Wetenschappers debatteren nog steeds over de manier waarop deze paradox kan worden opgelost. "Het verbazingwekkende aan de paradox van Hawking is dat elke oplossing ervan vereist dat je een heilig natuurkundig principe opgeeft," zei Harlow. De oplossing van Hawking was om de voorspelbaarheid op te geven, zoals hij klaagde in een artikel uit 1976.

Sommige natuurkundigen onderzoeken de wetten rond de thermodynamica om deze discrepantie op te lossen, en hoe entropie kwantuminformatie beïnvloedt. Een andere groep natuurkundigen onderzoekt lokaliteit, het principe dat objecten alleen rechtstreeks worden beïnvloed door hun directe omgeving. Ze geloven dat de informatieparadox kan worden opgelost door middel van iets dat kwantum-non-lokaliteit wordt genoemd: het idee dat deeltjes in een zwart gat hun kwantumtoestand delen met gecorreleerde deeltjes daarbuiten.

Ondanks de vooruitgang in het begrijpen van de verdamping van zwarte gaten, blijven de mysteries zich opstapelen. In een onderzoek uit 2023 in het tijdschrift Physical Review Letters betoogden Falcke en collega's dat de informatieparadox mogelijk niet beperkt blijft tot zwarte gaten. Door de berekeningen van Hawking opnieuw af te leiden, stelde het team voor dat alle objecten hetzelfde probleem kunnen hebben. Alle dingen kunnen verdampen, waardoor de puzzel dieper wordt.

‘Er is iets in de wereld dat we niet kunnen verklaren’, zei Falcke. "Maar weet je, door meer mysteries te creëren, kunnen we uiteindelijk een stap dichter bij een oplossing komen."