Wat gebeurt er in het centrum van een zwart gat?

De singulariteit in het centrum van een zwart gat is het ultieme niemandsland: een plek waar materie wordt samengeperst tot een oneindig kleine punt. Alle opvattingen over tijd en ruimte storten hier volledig in. En het bestaat niet echt. Iets moet de singulariteit vervangen maar we weten niet precies wat.

Laten we eens kijken naar enkele mogelijkheden.

Planck sterren

Het kan zo zijn dat diep in een zwart gat materie niet wordt samengeperst tot een oneindige kleine punt. In plaats daarvan zou er een kleinst mogelijke configuratie van materie kunnen zijn, het kleinst mogelijke volume

Dit wordt een Planck-ster genoemd en het is een theoretische mogelijkheid die wordt voorspeld door loop-kwantumzwaartekracht, wat zelf weer een zeer hypothetisch voorstel is voor het creëren van een kwantumversie van zwaartekracht. In de wereld van loop-kwantumzwaartekracht worden ruimte en tijd gekwantiseerd – het heelal om ons heen is samengesteld uit kleine discrete brokken maar op zo’n ongelooflijk kleine schaal dat onze bewegingen soepel en continu lijken.

Deze theoretische brokken van ruimtetijd bieden twee voordelen. Ten eerste voert het de droom van de kwantummechanica tot zijn ultieme conclusie door de zwaartekracht op een natuurlijke wijze uit te leggen. En ten tweede maakt het het voor singulariteiten onmogelijk om te ontstaan in zwarte gaten.

Als materie onder de immense zwaartekracht van een ineenstortende ster ineen wordt gedrukt stuit het op weerstand. De discretie van ruimtetijd voorkomt dat materie iets bereikt dat kleiner is dan de Planck-lengte (± 1,67 * 10-35 meter). Al het materiaal dat ooit in het zwarte gat is gevallen wordt samengeperst tot een bal die niet veel groter is dan deze. Perfect microscopisch klein maar zeker niet oneindig.

Deze weerstand tegen voortdurende compressie dwingt het materiaal uiteindelijk om niet meer in te storten (d.w.z. exploderen), waardoor zwarte gaten slechts tijdelijke objecten worden. Maar vanwege de extreme tijddilatatie-effecten rond zwarte gaten duurt het vanuit ons perspectief in het buitenheelal miljarden, zelfs biljoenen jaren voordat ze explosief worden. Dus we zijn helemaal klaar voor nu.

Gravastars

Een andere poging om de singulariteit uit te roeien – een die niet afhankelijk is van niet geteste theorieën over kwantumzwaartekracht – staat bekend als de gravastar.

Het verschil tussen een zwart gat en een gravastar is dat, in plaats van een singulariteit, de gravastar gevuld is met donkere energie. Donkere energie is een substantie die ruimtetijd doordringt waardoor deze naar buiten uitzet. Het klinkt als sciencefiction maar het is echt: donkere energie is momenteel in werking in de grotere kosmos waardoor ons hele heelal versneld uitdijt.

Als materie op een gravastar valt is het niet in staat om daadwerkelijk de waarnemingshorizon te doordringen (vanwege al die donkere energie aan de binnenkant) en blijft daarom gewoon aan de oppervlakte hangen. Maar buiten dat oppervlak zien en gedragen gravastars zich als normale gaten. (De waarnemingshorizon van een zwart gat is het point of no return – de grens waarboven niets, zelfs geen licht kan ontsnappen.)

Recente waarnemingen van samensmeltende zwarte gaten met zwaartekrachtsgolfdetectoren hebben echter mogelijk het bestaan van gravastars uitgesloten omdat het samenvoegen van gravastars een ander signaal zal geven dan het samenvoegen van zwarte gaten. Instrumenten zoals LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Obervatory) en Virgo verzamelen steeds meer voorbeelden hiervan. Hoewel gravastars niet bepaald een no-go zijn in ons heelal bevinden ze zich wel op glad ijs.

Laten we eens gaan draaien

Planck-sterren en gravastars hebben misschien geweldige namen maar de realiteit van hun bestaan is twijfelachtig. Dus misschien is er een meer alledaagse verklaring voor singulariteiten, een die is gebaseerd op een meer genuanceerde – en realistische – kijk op zwarte gaten in ons heelal.

Het idee van een enkel punt met oneindige dichtheid komt voort uit ons idee van stationaire, niet-roterende, ongeladen, nogal saaie zwarte gaten. Echte zwarte gaten zijn veel interessantere personages, vooral als ze ronddraaien.

De draaiing van een roterend zwart gat rekt de singulariteit uit tot een ring. En volgens de wiskunde van Einsteins algemene relativiteitstheorie (de enige wiskunde die we hebben), als je eenmaal door de singulariteit van de ring gaat ga je een wormgat binnen en spring je eruit door een wit gat (het tegenovergestelde van een zwart gat, waar niets kan binnenkomen en materie met de snelheid van het licht naar buiten snelt) naar een geheel nieuw en opwindend stukje van het heelal.

Eén uitdaging: de binnensten van roterende zwarte gaten zijn catastrofaal instabiel. En dit is volgens dezelfde wiskunde die leidt tot de voorspelling van het reizen naar een nieuw heelal.

Het probleem met roterende zwarte gaten is dat ze roteren. De singulariteit, uitgerekt tot een ring, draait in zo’n fantastisch tempo dat het een ongelooflijke middelpuntvliedende kracht heeft. En in de algemene relativiteitstheorie werken middelpuntvliedende krachten die sterk genoeg zijn als antizwaartekracht: ze duwen, niet trekken.

Dit creëert een grens binnen het zwarte gat, de binnenste horizon genoemd. Buiten dit gebied valt straling naar binnen in de richting van de singulariteit, gedwongen door de extreme zwaartekracht. Maar straling wordt geduwd door de antizwaartekracht nabij de singulariteit van de ring en het keerpunt is de binnenste horizon. Als je de binnenste horizon zou tegenkomen zou je een muur van oneindig energetische straling tegenkomen – de hele geschiedenis van het heelal in het verleden, in minder dan een oogwenk in je gezicht gestraald.

Het ontstaan van een binnenste horizon zaait de zaden voor de vernietiging van het zwarte gat. Maar roterende zwarte gaten bestaan zeker in ons heelal dus dat vertelt ons dat onze wiskunde verkeerd is en dat er iets geks aan de hand is.

Wat gebeurt er echt in een zwart gat? Dat weten we niet en het enge is dat we het misschien ook wel nooit zullen weten.

Eerste publicatie: 2 februari 2024
Bron: space.com, wikipedia & anderen