Dit is wat (waarschijnlijk) zou kunnen bestaan ​​aan de andere kant van het zwarte gat

Misschien wel de meest verrassende wetenschappelijke ontdekking van het afgelopen decennium is dat het universum wemelt van zwarte gaten.

Deze gaten zijn waargenomen in verschillende en verrassende afmetingen: sommige met een massa die iets groter is dan de massa van de zon, en andere met een massa die miljarden keren groter is. Ze zijn ook op verschillende manieren waargenomen: via radio-emissies van het materiaal dat in de richting van het gat valt; En door zijn invloed op de sterren die eromheen draaien; Door de zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden tijdens hun samensmelting; En door de uiterst vreemde vervorming van licht die het veroorzaakt (denk aan de Einstein-ring, die verscheen in afbeeldingen van Boogschutter A*, het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg, dat nog niet zo lang geleden de voorpagina’s van internationale kranten sierde).

De ruimte waarin we leven is niet glad, maar vol gaten in de lucht, als een zeef. Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelde en beschreef de fysieke eigenschappen van alle zwarte gaten goed.

Alles wat we weten over deze vreemde objecten komt tot nu toe volledig overeen met de theorie van Einstein. Maar er zijn twee hoofdvragen die Einsteins theorie niet beantwoordt.

De eerste vraag is: waar gaat de materie heen als ze een zwart gat binnengaat? De tweede vraag is: hoe eindigen zwarte gaten? Overtuigende theoretische argumenten, die enkele decennia geleden voor het eerst door Stephen Hawking werden begrepen, suggereren dat een zwart gat in de verre toekomst, na een leven dat afhangt van zijn grootte, zal samentrekken (of, zoals natuurkundigen zeggen, ‘verdampen’) door hete straling uit te zenden. nu bekend als straling.

Hierdoor wordt het gaatje steeds kleiner, totdat het heel klein wordt. Maar wat gebeurt er daarna? De reden dat deze twee vragen nog niet zijn beantwoord, en de theorie van Einstein geen antwoord biedt, is dat ze allebei kwantumaspecten van de ruimtetijd betreffen.

Dit betekent dat beide betrekking hebben op kwantumzwaartekracht, maar we hebben nog geen solide theorie over kwantumzwaartekracht.

Probeer te antwoorden

Maar er is hoop, omdat we voorlopige theorieën hebben. Deze theorieën zijn nog niet bewezen, omdat ze nog niet zijn ondersteund door experimenten of observaties.

Maar ze zijn ver genoeg gevorderd om ons voorlopige antwoorden te geven op deze twee belangrijke vragen. We kunnen deze theorieën daarom gebruiken om een ​​weloverwogen inschatting te maken van wat er gebeurt.

Niet gedefinieerd

Misschien wel de meest gedetailleerde en geavanceerde theorie van kwantumruimtetijd is luskwantumzwaartekracht, of LQG – een experimentele kwantumzwaartekrachttheorie die zich sinds eind jaren tachtig gestaag heeft ontwikkeld.

Dankzij deze theorie is er een interessant antwoord op deze vragen verschenen. Dit antwoord wordt gedemonstreerd in het volgende scenario. Het interieur van het zwarte gat evolueert totdat het een stadium bereikt waarin kwantumeffecten beginnen te domineren.

Hierdoor ontstaat een sterke afstotende kracht die de dynamiek van het binnenste van het instortende zwarte gat weerspiegelt, waardoor het ‘stuitert’. Na deze kwantumfase, beschreven door de theorie van de kwantumzwaartekracht, voldoet de ruimte-tijd in het gat opnieuw aan de theorie van Einstein, behalve dat het zwarte gat nu uitdijt in plaats van samentrekt.

De mogelijkheid van uitbreiding van een zwart gat werd feitelijk voorspeld door de theorie van Einstein, op dezelfde manier als zwarte gaten dit voorspelden. Dit is een mogelijkheid die al tientallen jaren bekend is; Dit overeenkomstige gebied in de ruimte-tijd heeft zelfs een naam: ‘wit gat’.

Lees verder:

Hetzelfde idee, maar dan omgekeerd

De naam weerspiegelt het idee dat een wit gat in zekere zin het tegenovergestelde is van een zwart gat. We kunnen er op dezelfde manier aan denken dat een bal die omhoog stuitert een opwaarts pad volgt dat het tegenovergestelde is van het neerwaartse pad dat hij aflegde toen die bal viel.

Een wit gat is een ruimte-tijdstructuur die lijkt op een zwart gat, maar waarbij de tijd is omgekeerd. In een zwart gat vallen dingen; Maar binnen het witte gat bewegen de dingen naar buiten. Niets kan uit een zwart gat komen; Op dezelfde manier kan niets een wit gat binnendringen.

Als je het van buitenaf bekijkt, gebeurt het dat aan het einde van het verdampingsproces het zwarte gat, dat nu klein is omdat het het grootste deel van zijn massa heeft verdampt, verandert in een klein wit gat. LQG wijst erop dat dergelijke structuren door kwantumeffecten vrijwel stabiel worden en daarom lang kunnen overleven.

Witte gaten worden soms ‘overblijfselen’ genoemd, omdat ze zijn wat overblijft nadat een zwart gat is verdampt. De overgang van een zwart gat naar een wit gat kan worden beschouwd als een ‘kwantumsprong’. Dit is vergelijkbaar met het concept van kwantumsprongen van de Deense natuurkundige Niels Bohr, waarbij elektronen van de ene atomaire orbitaal naar de andere springen wanneer ze hun energie veranderen.

Kwantumsprongen zorgen ervoor dat atomen fotonen uitzenden, die ervoor zorgen dat het licht wordt uitgezonden waardoor we dingen kunnen zien. Maar de theorie van de kwantumzwaartekracht voorspelt de grootte van deze kleine overblijfselen. Vandaar een onderscheidend natuurkundig resultaat: geometriekwantisering. In het bijzonder voorspelt de theorie van de kwantumzwaartekracht dat de oppervlakte van elk oppervlak slechts bepaalde discrete waarden kan hebben.

Het gebied van de resterende horizon van het witte gat moet worden bepaald door de kleinste niet-verdwijnende waarde. Dit komt overeen met een wit gat met een massa van een fractie van een microgram: grofweg het gewicht van een mensenhaar.

Dit scenario beantwoordt de twee eerder gestelde vragen. Wat er aan het einde van het verdampingsproces gebeurt, is dat het kwantumzwarte gat in een klein, langlevend wit gat springt. Materie die in een zwart gat valt, kan later uit dit witte gat tevoorschijn komen.

Het grootste deel van de energie van de materie zal al vrijkomen door Hawking-straling – laagenergetische straling die door het zwarte gat wordt uitgezonden als gevolg van kwantumeffecten die ervoor zorgen dat het verdampt. Wat uit het witte gat komt, is niet de energie van de materie die erin is gevallen, maar eerder de resterende laagenergetische straling, die niettemin alle resterende informatie bevat over de materie die erin is gevallen.

Een intrigerende mogelijkheid die dit scenario opent, is dat de mysterieuze donkere materie die astronomen sporen aan de hemel zien, feitelijk geheel of gedeeltelijk is gevormd uit kleine witte gaten die zijn gegenereerd door oude, verdampende zwarte gaten. Deze gaten zijn mogelijk ontstaan ​​in de vroege stadia van het universum, misschien vóór de oerknal, wat de theorie van de kwantumzwaartekracht ook lijkt te voorspellen.

Dit is een aantrekkelijke potentiële oplossing voor het mysterie van de aard van donkere materie, omdat het inzicht geeft in donkere materie uitsluitend gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica, twee gevestigde aspecten van de natuur. Het voegt ook geen willekeurige velddeeltjes of nieuwe dynamische vergelijkingen toe, zoals de meeste alternatieve experimentele hypothesen over donkere materie doen.

Volgende stappen

Kunnen we witte gaten detecteren? Het rechtstreeks waarnemen van witte gaten zal moeilijk zijn omdat deze kleine objecten op vrijwel unieke wijze met de ruimte en de omringende materie in wisselwerking staan ​​via de zwaartekracht, die extreem zwak is.

Het is niet eenvoudig om een ​​haar te detecteren alleen op basis van de zwaartekracht. Maar misschien zal het niet langer onmogelijk zijn naarmate de technologie vordert. Er zijn al ideeën voorgesteld over hoe dit te doen met behulp van detectoren op basis van kwantumtechnologie.

Als donkere materie bestaat uit overblijfselen van witte gaten, laat een eenvoudige schatting zien dat een paar van dergelijke objecten elke dag door een gebied ter grootte van een grote kamer kunnen vliegen. Voorlopig moeten we dit scenario bestuderen en zien hoe het aansluit bij wat we weten over het universum, terwijl we wachten tot de technologie ons helpt deze objecten rechtstreeks te detecteren.

Maar verrassend genoeg is met dit scenario nog niet eerder rekening gehouden. De reden is terug te voeren op een hypothese die door veel theoretici met een achtergrond in de snaartheorie wordt omarmd: een sterke versie van de zogenaamde ‘holografische’ hypothese.

Volgens deze hypothese is de informatie in een klein zwart gat noodzakelijkerwijs klein, wat in tegenspraak is met het bovenstaande idee. De hypothese is gebaseerd op het idee van eeuwige zwarte gaten: technisch gezien het idee dat de horizon van een zwart gat noodzakelijkerwijs een ‘gebeurtenishorizon’ is (een ‘gebeurtenishorizon’ is per definitie een eeuwige horizon). Als de horizon eeuwig is, gaat wat er binnen gebeurt feitelijk voor altijd verloren, en onderscheidt een zwart gat zich op unieke wijze van wat je van buitenaf kunt zien.

Maar kwantumzwaartekrachtverschijnselen verstoren de horizon wanneer deze klein wordt, waardoor deze niet eeuwig kan blijven bestaan. Daarom kan de horizon van het zwarte gat geen ‘gebeurtenishorizon’ zijn. De informatie die het bevat kan groot zijn, zelfs als de horizon klein is, en kan worden teruggevonden na het zwarte gat-stadium, tijdens het witte gat-stadium.

Vreemd genoeg werd, toen zwarte gaten theoretisch werden bestudeerd en hun kwantumeigenschappen werden genegeerd, de eeuwige horizon gezien als hun bepalende eigenschap. Nu we zwarte gaten als echte objecten aan de hemel begrijpen en hun kwantumeigenschappen onderzoeken, beseffen we dat het idee dat hun horizon eeuwig zou moeten zijn slechts een ideaal was.

De werkelijkheid is genuanceerder. Misschien is niets eeuwig, zelfs niet de horizon van een zwart gat.

Lees verder: