Wat zijn witte gaten?

Witte gaten zijn theoretische kosmische gebieden die tegengesteld werken aan zwarte gaten. Net zoals niets uit een zwart gat kan ontsnappen kan niets een wit gat binnendringen.

Lange tijd werd gedacht dat witte gaten een verzinsel van de algemene relativiteitstheorie waren, geboren uit dezelfde vergelijkingen als hun ingestorte broeders, de zwarte gaten. Meer recentelijk hebben sommige theoretici zich echter afgevraagd of deze dubbele draaikolken van ruimtetijd niet twee kanten van dezelfde medaille kunnen zijn.

Voor de bemanning van een ruimteschip die van verre toekijkt lijkt een wit gat precies op een zwart gat. Het heeft massa. Het zou kunnen draaien. Een ring van stof en gas zou zich rond de waarnemingshorizon kunnen verzamelen – de bubbelgrens die het object scheidt van de rest van het heelal. Maar als ze bleven kijken zou de bemanning getuige kunnen zijn van een gebeurtenis die onmogelijk is voor een zwart gat: een oprisping. Pas op het moment dat dingen naar buiten komen kunnen je zeggen dat het een wit gat is.

Natuurkundigen beschrijven een wit gat als de “tijdomkering” van een zwart gat, een video van een zwart gat die achterstevoren wordt afgespeeld, net zoals een stuiterende bal de tijdomkering is van een vallende bal. Terwijl de waarnemingshorizon van een zwart gat een bol is waarop geen terugkeer mogelijk is, is de waarnemingshorizon van een wit gat een grens van geen toelating – de meest exclusieve club van ruimtetijd. Geen enkel ruimtevaartuig zal ooit de rand van de regio bereiken.

Objecten in een wit gat kunnen naar buiten gaan en interactie hebben met de buitenwereld maar aangezien er niets kan binnenkomen is het binnenste afgesneden van het verleden van het heelal: geen enkele gebeurtenis van buitenaf zal ooit de binnenkant beïnvloeden.

De theoretische tweeling

Einsteins veldvergelijkingen troffen de natuurkunde in 1915 als een tsunami en theoretici zijn nog steeds bezig met het doorzoeken van het wrak. Naast het beschrijven van de zwaartekracht brachten zijn hypothesen ook een paradigma-versplinterende boodschap over de aard van de werkelijkheid. In plaats van een vaste achtergrond, buigen en vouwen ruimte en tijd samen met de massa van planeten en sterren. Dat inzicht leidde tot een race om te berekenen hoeveel misbruik ruimte zou kunnen maken van de materie die er doorheen drijft.

Binnen een jaar vond de natuurkundige en astronoom Karl Schwarzschild de eerste exacte oplossing voor de vergelijkingen van Einstein. Hij berekende hoe ruimtetijd kromt rond een enkele bal van massa. In zijn antwoord lagen de kiemen van wat natuurkundigen tegenwoordig een singulariteit noemen: een bolvormige massa die is gekrompen tot een oneindig dichte punt en de ruimte er zo strak omheen wikkelt dat het gebied zich afknelt van de rest van het heelal. Het vormt een niemandsland waarvan de waarnemingshorizon de link tussen oorzaak en gevolg verbreekt.

Zwarte gaten, de beroemdste singulariteiten, zijn delen van de ruimte die zo verwrongen zijn dat er geen uitgangen zijn. Het buitenheelal kan de binnenkant van de horizon van een zwart gat beïnvloeden maar het binnenste kan de buitenkant niet beïnvloeden.

Toen de wiskundige Martin David Kruskal in 1960 de beschrijving van het zwarte gat van Schwarzschild uitbreidde tot alle domeinen van ruimte en tijd bevatte zijn nieuwe foto een weerspiegeling van de singulariteit van het zwarte gat, hoewel hij er de betekenis ervan op dat moment niet besefte. Later, toen zwarte gaten de volksmond binnendrongen ontstond er een natuurlijke term voor hun theoretische tweeling.

Het duurde 40 jaar om zwarte gaten te beschrijven en pas sinds kort richten wetenschappers zich op witte gaten.

Waarom witte gaten mogelijk niet bestaan

Hoewel de algemene relativiteitstheorie witte gaten in theorie beschrijft, weet niemand hoe ze zich eigenlijk zouden kunnen vormen. Een zwart gat zet zijn stukje ruimte af wanneer een ster ineenstort tot een klein volume. Maar deze video achterstevoren afspelen is fysiek niet logisch. Een gebeurtenishorizon die explodeert in een functionele ster lijkt een beetje op een ei dat zichzelf ontcijfert – een schending van de statistische wet die eist dat het heelal na verloop van tijd rommeliger wordt.

Zelfs als er grote witte gaten zouden ontstaan zouden ze waarschijnlijk niet al te lang blijven rondhangen. Elke uitgaande materie zou botsen met de materie in een baan er omheen en het systeem zou ineenstorten tot een zwart gat. Een langlevend wit gat is volgens astrofysici niet zeer onwaarschijnlijk.

Waarom witte gaten misschien wel bestaan

Een tijdlang lijken witte gaten het lot van wormgaten te delen – wiskundig toelaatbare verdraaiingen van ruimtetijd die waarschijnlijk door de realiteit verboden zijn. Maar de afgelopen jaren hebben sommige natuurkundigen witte gaten teruggebracht in een poging hun donkere broers en zussen te redden van een ongepaste dood.

Sinds Stephen Hawking in de jaren ’70 besefte dat zwarte gaten energie lekken, hebben natuurkundigen gedebatteerd over hoe de entiteiten zouden kunnen verschrompelen en sterven. Als een zwart gat verdampt, vragen velen zich af, wat gebeurt er met de interne registratie van alles wat het heeft ingeslikt? De algemene relativiteitstheorie laat de informatie niet vrij en de kwantummechanica verbiedt het verwijderen ervan.

Hoe sterft een zwart gat? Dat weten we niet. Hoe wordt een wit gat geboren? Misschien is een wit gat de dood van een zwart gat. De twee vragen passen mooi bij elkaar, maar je moet de algemene relativiteitstheorie schenden in de overgang van de ene naar de andere.

De kwantum looptheorie is een onvolledige poging om verder te gaan dan de algemene relativiteitstheorie door de ruimte zelfs te beschrijven als opgebouwd uit Lego-achtige deeltjes. Aan de hand van gereedschap uit dit raamwerk beschrijven astrofysici een scenario waarin een zwart gat zo klein wordt dat het niet langer voldoet aan de regels van gezond verstand van sterren en biljartballen. Op deeltjesniveau neemt kwantumwillekeur het over en zou het zwarte gat kunnen veranderen in een wit gat.

Zo’n wit gat ter grootte van een microgram, dat qua massa vergelijkbaar is met een mensenhaar, zou niets van het zwaartekrachtdrama van zijn voorouder met een zwart gat hebben, maar het zou een spelonkachtig interieur verbergen dat de informatie bevat van alles wat het in een vorig leven in zijn binnenste had opgeslokt. Het witte gat is te klein om materie in een baan aan te trekken en zou stabiel genoeg kunnen blijven om uiteindelijk alle informatie uit te spugen die door zijn voorloper is verzameld.

In dit plaatje zouden op een dag witte gaten het heelal domineren, nadat de sterren zijn uitgebrand en de zwarte gaten zijn verdord. Alle waarnemers zouden de objecten dan gemakkelijk kunnen detecteren als relatief grote deeltjes. Maar die dagen zijn ontelbare biljoenen keren de huidige leeftijd van het heelal in de toekomst. Het is de gekste tijdschaal die de natuurkunde kent.

Het ultieme witte gat

Als alternatief kan de nasleep van een wit gat overal voorkomen. Voor natuurkundigen van zwarte gaten lijkt de explosie van materie en energie door de Oerknal op potentieel gedrag van witte gaten. De geometrie lijkt in de twee gevallen erg op elkaar. Zelfs tot het punt dat ze soms wiskundig identiek zijn.

Kosmologen noemen dit beeld de “Big Bounce” en sommigen zoeken karakteristieke witte gaten in het vroegst waarneembare licht van het heelal. Astrofysici vragen zich ook af of gewelddadige radio-uitbarstingen de kreten vertegenwoordigen van theoretische mini-zwarte gaten die zijn overgebleven van de Oerknal terwijl ze een vroege overgang maakten naar witte gaten (deze verklaring lijkt echter steeds onwaarschijnlijker).

Het heelal verdraait zich misschien niet in alle vormen die de algemene relativiteitstheorie toestaat maar er zijn astrofysici die vinden dat natuurkundigen die konijnenhol helemaal tot het einde moeten volgen. Want waarom zou je niet onderzoeken of witte gaten interessante gevolgen hebben? Het kan zijn dat die gevolgen niet zijn wat je verwachtte maar het zou roekeloos zijn om ze te negeren, aldus astrofysici.

Eerste publicatie: 26 januari 2024
Bron: space.com & anderen