Natuurkundigen hebben lang geloofd dat zwarte gaten aan het einde van hun leven exploderen en dat dergelijke explosies hooguit eens in de 100.000 jaar plaatsvinden. Maar nieuw onderzoek, gepubliceerd in Physical Review Letters door natuurkundigen van de Universiteit van Massachusetts Amherst, heeft aangetoond dat er een kans van meer dan 90% is dat een van deze zwarte-gaten-explosies binnen tien jaar te zien zal zijn, en dat onze huidige vloot van ruimte- en aardgebonden telescopen, als we voorbereid zijn, getuige zou kunnen zijn van deze gebeurtenis.
Een dergelijke explosie zou een sterk bewijs zijn voor een theoretisch, maar nooit waargenomen type zwart gat, een zogenaamd ‘primordiaal zwart gat’, dat minder dan een seconde na de oerknal, 13,8 miljard jaar geleden, zou kunnen zijn ontstaan. Bovendien zou de explosie ons een definitieve catalogus opleveren van alle subatomaire deeltjes die bestaan, inclusief de deeltjes die we hebben waargenomen, zoals elektronen, quarks en Higgs-bosonen, de deeltjes waarover we alleen maar hypothesen hebben, zoals donkere-materiedeeltjes, en alle andere deeltjes die tot nu toe volledig onbekend zijn voor de wetenschap. Deze catalogus zou eindelijk een antwoord geven op een van de oudste vragen van de mensheid: waar komt alles vandaan?
We weten dat zwarte gaten bestaan en we hebben een goed begrip van hun levenscyclus: een oude, grote ster raakt zonder brandstof, implodeert in een enorm krachtige supernova en laat een gebied van ruimte-tijd achter met een zo intense zwaartekracht dat niets, zelfs licht niet, kan ontsnappen. Deze zwarte gaten zijn ongelooflijk zwaar en in wezen stabiel. Maar, zoals natuurkundige Stephen Hawking in 1970 opmerkte, zou een ander soort zwart gat, een primordiaal zwart gat (PBH), niet door het instorten van een ster kunnen ontstaan, maar door de oorspronkelijke omstandigheden van het universum kort na de oerknal. PBH's zijn, net als de standaard zwarte gaten, zo enorm dicht dat bijna niets eraan kan ontsnappen, en dat maakt ze ‘zwart’. Ondanks hun dichtheid kunnen PBH's echter veel lichter zijn dan de zwarte gaten die we tot nu toe hebben waargenomen. Bovendien toonde Hawking ook aan dat zwarte gaten een temperatuur hebben en in theorie langzaam deeltjes kunnen uitstralen via wat nu bekend staat als ‘Hawking-straling’ als ze warm genoeg worden.
“Hoe lichter een zwart gat is, hoe heter het zou moeten zijn en hoe meer deeltjes het zal uitstralen. Naarmate PBH's verdampen, worden ze steeds lichter en dus heter, waardoor ze nog meer straling uitstralen in een ongecontroleerd proces totdat ze exploderen. Het is die Hawking-straling die onze telescopen kunnen detecteren”, zegt Andrea Thamm, coauteur en assistent-professor natuurkunde aan de UMass Amherst. Maar hoewel we dat zouden moeten kunnen, heeft nog nooit iemand een PBH rechtstreeks waargenomen.
“We weten hoe we deze Hawking-straling moeten waarnemen”, zegt Joaquim Iguaz Juan, postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde aan de UMass Amherst. “We kunnen het zien met onze huidige telescopen, en omdat de enige zwarte gaten die vandaag of in de nabije toekomst kunnen exploderen deze PBH's zijn, weten we dat als we Hawking-straling zien, we een exploderende PBH zien.” Hoewel natuurkundigen sinds de tijd van Hawking denken dat de kans om een exploderend PBH te zien oneindig klein is, merkt Iguaz Juan op dat “het onze taak als natuurkundigen is om de gangbare aannames in twijfel te trekken, betere vragen te stellen en nauwkeurigere hypothesen te bedenken.”
De nieuwe hypothese van het team? Bereid je nu voor om de explosie te zien. “Wij geloven dat er een kans van 90% is dat we in de komende 10 jaar getuige zullen zijn van een exploderende PBH”, zegt Aidan Symons, een van de co-auteurs van het artikel en een afgestudeerde student natuurkunde aan de UMass Amherst. In hun werk onderzoekt het team een “dark-QED-speelgoedmodel”. Dit is in wezen een kopie van de gebruikelijke elektrische kracht zoals wij die kennen, maar dan met een zeer zware, hypothetische versie van het elektron, die het team een “donker elektron” noemt. Het team heroverwoog vervolgens lang gekoesterde aannames over de elektrische lading van zwarte gaten. Standaard zwarte gaten hebben geen lading en er werd aangenomen dat PBH's eveneens elektrisch neutraal zijn.
“Wij gaan uit van een andere veronderstelling”, zegt Michael Baker, coauteur en assistent-professor natuurkunde aan de UMass Amherst. “We laten zien dat als een primordiaal zwart gat wordt gevormd met een kleine donkere elektrische lading, het speelgoedmodel voorspelt dat het tijdelijk gestabiliseerd moet worden voordat het uiteindelijk explodeert.” Rekening houdend met alle bekende experimentele gegevens, komen ze tot de conclusie dat we dan mogelijk niet eens in de 100.000 jaar een PBH-explosie zouden kunnen waarnemen, zoals eerder werd gedacht, maar eens in de 10 jaar.
“We beweren niet dat het zeker in dit decennium zal gebeuren”, zegt Baker, “maar de kans dat het gebeurt is misschien wel 90%. Aangezien we al over de technologie beschikken om deze explosies waar te nemen, moeten we er klaar voor zijn.” Iguaz Juan voegt hieraan toe: “Dit zou de allereerste directe waarneming zijn van zowel Hawking-straling als een PBH. We zouden ook een definitief overzicht krijgen van alle deeltjes waaruit het universum bestaat. Dit zou een complete revolutie betekenen voor de natuurkunde en ons helpen de geschiedenis van het universum te herschrijven.”
Bron: EurekAlert!
