Beschouwing Zwarte Gaten

Quarksoep, wormholes en de diepste aard van de werkelijkheid: een spoedcursus zwarte gaten

Vergeet vulkanen, tsunami’s en tornado’s: zwarte gaten zijn pas echt de extreemste natuurfenomenen van het heelal. En wetenschappers staan eindelijk op het punt te onthullen hoe ze werken.

Beeld Van Santen & Bolleurs

Een kolkend, roodgloeiend inferno dat niet kan wachten om je op te slokken. Zo ongeveer oogt het zwarte gat in sciencefictionfilm The Black Hole (1979). En in Event Horizon (1997) gaat het er al net zo ­luguber aan toe. Daar verdwijnt een ruimteschip via een zwart gat in een letterlijke heldimensie. Niet veel later stuitert de in rafelige stukken gescheurde bemanning door met bloed besmeurde gangen.

In Hollywoodfilms zijn zwarte gaten populair, maar niet erg, eh, gezellig. Filmmakers schetsen de wildste voorstellingen van deze overweldigende natuurfenomenen. Maar hoe zien zwarte gaten er nu echt uit? Voor natuurkundigen is die vraag zeer relevant. Zij hopen in het ­binnenste van deze kosmische veelvraten antwoord te vinden op de grootste raadsels uit de fysica. Kwesties als: wat zijn de meest fundamentele bouwstenen van de werkelijkheid? En: is het mogelijk om ­alles wat we over de wereld weten samen te vatten in één wiskundige beschrijving? Bij dat einddoel komen ze nu verleidelijk dicht in de buurt.

Dat is bijzonder, want zwarte gaten ­waren lange tijd vooral theorie en geen praktijk. De ideeën waar theoretisch ­natuurkundigen de afgelopen jaren mee op de proppen kwamen zijn even bont als afwisselend. Zo beschreven ze zwarte ­gaten onder andere als trillende verzamelingen samenklittende minisnaartjes en als stralende bollen omgeven door een vervaarlijke muur van vuur.

Intussen staan fysici op het punt om al die ideeën te testen. ‘Echt spectaculair’, noemt natuurkundige Chris Van den Broeck, onder meer verbonden aan ­fysica-instituut Nikhef, die ontwikkeling. ‘Als je dit vijftien jaar geleden tegen me had gezegd, had ik je nooit geloofd.’

Ook Marcel Vonk, mathematisch ­natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam en auteur van een populair-wetenschappelijk boek over zwarte ­gaten, zegt dat we leven in een bijzondere periode. ‘Voor het eerst bestuderen theoretici en experimentele natuurkundigen samen dezelfde zwarte gaten’, zegt hij. Hoogste tijd voor vijf prangende vragen over deze mysterieuze voorwerpen.

Artist impression van een zwart gat. Beeld NASA/JPL-Caltech

Over bowlingballen zonder afmeting

1. Wat is een zwart gat?

Een zwart gat is een punt in de ruimte waaruit je nooit meer kunt ontsnappen. In 1915 berekende de Duitse natuurkundige Karl Schwarzschild als eerste dat zoiets kon bestaan. Met behulp van ­Einsteins vlak daarvoor verschenen algemene relativiteitstheorie liet hij zien dat je voorwerpen zó zwaar kon maken dat zelfs het licht niet langer aan hun zwaartekracht kan ontsnappen. Zulke voorwerpen ballen door hun waanzinnig grote massa uiteindelijk samen in een enkel, letterlijk punt: een plek zonder afmeting, een bolletje met diameter nul. Dat bizarre punt noemden fysici later een ­singulariteit.

Al snel bleek dat in het heelal daadwerkelijk processen plaatsvinden waarbij zwarte gaten ontstaan. Dat ­gebeurt bijvoorbeeld wanneer zware sterren sterven. Het geweld waarmee dat gepaard gaat, perst de kern van de voormalige ster zo hard samen dat zij ­onder haar eigen zwaartekracht instort. Het resulteert in een kosmische cascade die pas stopt wanneer alles – roetsj, slurp – zit samengeperst in dat ene, enkele punt.

Je kunt het effect van een zwart gat op de ruimte eromheen een beetje vergelijken met wanneer je een bowlingbal op een opgespannen tafellaken legt. Alleen is de kuil die een zwart gat maakt wel wat extremer: vanaf een bepaald punt – astronomen noemen dat ook wel de horizon – is deze zo steil dat je er onherroepelijk in­glijdt. Ontsnappen is daarna onmogelijk.

Fysici beginnen met nieuwe waarnemingen eindelijk de geheimen van zwarte gaten te ontsluieren. In 2015 maten zij hoe twee zware exemplaren een fiks stuk ­verderop frontaal op elkaar knalden. Dat leidde tot een enorme klap die ruimte en tijd liet trillen, als een drilpudding waarop je met een lepel tikt. Deze zogeheten zwaartekrachtgolven bieden nu hoop dat we zwarte gaten leren doorgronden. ‘We kunnen straks echt kijken of zwarte gaten zich gedragen zoals Einstein dacht’, zegt Chris Van den Broeck van deeltjesfysica-instituut Nikhef. Hij gaf in 2015 mede leiding aan de analyse van de zwaartekrachtgolfmeting.

Op dit moment zijn de zwaartekrachtgolftelescopen – Ligo in de VS en Virgo in Europa – nog niet gevoelig genoeg om dat klusje te klaren, maar na geplande upgrades kunnen Van den Broeck en zijn collega’s aan de slag. ‘Ik verwacht over drie of vier jaar een antwoord.’

Over opgepompte donuts en intrigerende zwarte vlekjes

2. Hoe ziet een zwart Gat er nu Echt uit?

‘Alsof iemand een gat in de sterrenhemel heeft geknipt’, zo beschrijft astronoom Heino Falcke, verbonden aan de Radboud Universiteit Nijmegen, zijn idee van hoe zwarte gaten eruitzien. Falcke zwaait de scepter over een project dat de allereerste foto van een zwart gat moet maken. In 2017 verzamelden radiotelescopen verspreid over de aarde – samen bekend als de Event Horizon Telescope – hun eerste meetgegevens. ‘Begin volgend jaar verwachten we de eerste resultaten.’

Tot die tijd moeten we het doen met simulaties, of met onze fantasie natuurlijk. Want niemand is ooit echt in de buurt van een zwart gat geweest. Een van de meest geslaagde fantasieën tot nog toe is het zwarte gat uit de bioscoopfilm Interstellar. Nobelprijswinnaar en zwartegatengoeroe Kip Thorne ontwierp het samen met een special­effectsbedrijf, maar voor de film waren ook wat concessies nodig. ‘Het zwarte gat dat je in Interstellar zag was heel aardig’, zegt Falcke, ‘maar in ­werkelijkheid zal het een ­dikkere, turbulente schijf om zich heen hebben.’

Falcke deed, in afwachting van de eerste foto, alvast een duit in het zakje.
Samen met Jordy Davelaar, een van zijn studenten, beschreef hij in een nog niet verschenen vakartikel hoe een zwart gat er in het echt uit moet zien. ‘We bouwden zelfs een VR-simulatie’, zegt Falcke.

Daarin oogt het zwarte gat inderdaad alsof iemand een stuk uit de sterrenhemel heeft geknipt, bevestigt Falcke. Totdat ze de zogeheten accretieschrijf toevoegden – de draaikolk vol stof en materie die langzaam het gat inzakt. ‘Daarna vlamde de boel ineens op. De hitte blies het geheel op tot dikke donut.’ Een donut met een diep, donker zwart gat in het midden.

Simulatie van een zwart gat Beeld Thomas Bronzwaer

Falcke waarschuwt alvast dat zijn foto niet zo mooi wordt als de simulatie. Hij verwacht een ‘donker vlekje’, een ‘lelijk plaatje’. ‘Het is alsof je een foto van een zonsverduistering maakt, waarbij de zon zelf maar twee pixels beslaat’, zegt hij. Niet gek, want het dichtstbijzijnde van de twee zwarte gaten waarop ze hun camera richten is met een doorsnee van 50 miljoen kilometer weliswaar heel groot, maar staat ook zo ongelofelijk ver weg, bijna 300 biljoen kilometer, dat het niet gemakkelijk is het op de foto te krijgen. Alsof je vanaf de aarde een druif op de maan wilt fotograferen.

Hoewel de foto misschien niet mooi is, is hij wetenschappelijk wel razend interessant. ‘Allereerst is seeing natuurlijk wel echt believing’, zegt Falcke. Hoewel niemand aan het bestaan van zwarte gaten twijfelt, is een visuele bevestiging nooit weg, wil hij maar zeggen. En de foto kan nog veel meer onthullen. Zo zou je er bijvoorbeeld mee kunnen aantonen dat een zwart gat inderdaad een horizon heeft, een point of no return.

De crux schuilt in de structuur van het zwarte vlekje. De verwachte foto toont een dikke zwarte schaduw met daaromheen een lichte ring. Die schaduw is vijfmaal zo groot als het échte zwarte gat, een effect dat ontstaat door een vreemd samenspel van zwaartekracht en licht. ‘Het is alsof je het zwarte gat door een vergrootglas ­bekijkt’, zegt Falcke, ‘alleen is het zwarte gat in dit geval zijn eigen lens.’

Het aardige is dat je aan de vorm van de schaduw veel kunt afleiden. ‘Als het gat draait, kan het licht er aan de ene kant makkelijker langs dan aan de andere’, zegt fysicus Marcel Vonk. ‘Dat zie je terug in de schaduw. Hetzelfde gaat op wanneer het gat een sterk elektromagnetisch veld heeft. Ook dan ontstaan herkenbare structuren.’

Falcke verwacht daarom veel van zijn foto. Dit jaar beschreef hij met collega’s in het vakblad Nature Astronomy al uitgebreid wat je zou kunnen verwachten. ‘Onze schaduwwaarneming vormt straks een zware horde voor nieuwe ideeën over zwarte gaten’, zegt Falcke. Voor de meest bizarre zwarte gaten uit de theoretische koker moet de resolutie van de Event ­Horizon Telescope nog wel wat beter ­worden, maar eenvoudige varianten ­kunnen straks al langs de experimentele meetlat. Falcke: ‘Als je een idee hebt dat meetbare afwijkingen aan de schaduw voorspelt, kun je die straks direct bevestigen of afschrijven.’

Over ruziënde theorieën en een bruisende deeltjeslaag 

3. Waarom vinden wetenschappers zwarte gaten zo interessant?

Zwarte gaten zijn extreem. Als het ­inderdaad klopt dat alle massa in het ­binnenste van deze veelvraten zich samen­propt in een enkel punt, dan moet dit tegelijk enorm klein zijn en megazwaar. ‘Het is volkomen onmogelijk om zulk soort voorwerpen met onze huidige natuurkunde te beschrijven’, zegt astronoom Heino Falcke.

Dat komt door een berucht probleem in de fysica: haar twee belangrijkste theorieën – de relativiteitstheorie van Einstein en de quantumtheorie – willen met geen mogelijkheid samenwerken. De ene, relativiteit, werkt goed voor zware en snelle dingen. Je kunt er bijvoorbeeld moeiteloos de zwaartekracht van sterren en ­planeten mee uitrekenen. De quantumtheorie werkt vooral goed voor kleine dingen en ­beschrijft perfect het gedrag van deeltjes, zoals elektronen en de overige bouwstenen van atomen. Maar wanneer fysici beide aan elkaar willen plakken, gaat het mis. Hun formules geven dan ineens volkomen belachelijke antwoorden. En niemand snapt waarom.

De blik van veel fysici is daarom stevig gericht op zwarte gaten. De veronderstelde singulariteiten in het binnenste van die gaten zijn klein én megazwaar, en kun je dus alleen beschrijven met een combinatie van beide theorieën. Die singulariteit kun je nooit direct zien – die zit verstopt voorbij het punt waar licht nog aan het gat kan ontsnappen – maar de buitenkant van zwarte gaten zie je wél en onthult al veel. Zodra je zwarte gaten leert doorgronden, snap je daardoor hopelijk hoe quantumtheorie en relativiteit in elkaar overvloeien. Je zet dan ineens een flinke stap richting een dieper begrip van de werkelijkheid.

Zo suggereert relativiteit dat alles in de kosmos rust op een weefsel van ruimte en tijd. Tegelijk stelt de quantumtheorie dat onder onze wereld van alledag een minuscule, chaotisch bruisende deeltjeslaag schuilt. Hoe je beide zienswijzen moet combineren, is niemand duidelijk. Het is een kwestie die over niets minder gaat dan de diepste aard van de werkelijkheid. En in zwarte gaten schuilt mogelijk het antwoord.

Volkstelling zwarte gaten

Het heelal bevat zo waanzinnig veel zwarte gaten dat je onmogelijk kunt zeggen hoeveel. In ons eigen kosmisch thuis, de Melkweg, woont de zon samen met ruwweg honderd miljard andere sterren. Alleen de allerzwaarsten daarvan – een op de duizend – veranderen na hun dood in een zwart gat. In de Melkweg zouden (op termijn) dus zo’n honderd miljoen zwarte gaten moeten zitten.

Het dichtstbijzijnde exemplaar dat we kennen staat op 1600 lichtjaar van aarde. Dat is niet bepaald om de hoek: voor een moderne ruimtesonde is het al snel een paar miljoen jaar reizen.

Een van de indrukwekkendste zwarte gaten die we kennen is bijna vijf miljoen maal zo zwaar als de zon en heet Sagittarius A*. Dit zogeheten superzware zwarte gat zit in het centrum van de Melkweg en heerst daar over alles en iedereen: elke ster in ons sterrenstelsel, inclusief de zon, draait om Sagittarius A* heen. 

Over spaghettificatie en quarksoep 

4. Wat gebeurt er wanneer je in een zwart gat valt?

Het korte antwoord: weinig goeds. Doordat een zwart gat iets harder aan je voeten trekt dan aan je hoofd (of omgekeerd, als je met je hoofd naar beneden valt), reduceert de enorme trekkracht je vanzelf tot langgerekt sliertje mens. Dat proces noemen fysici met een bedrieglijk lollig woord ook wel ‘spaghettificatie’.

De kracht waarmee dat gebeurt is ­afhankelijk van de grootte van het gat. Paradoxaal genoeg scheurt een klein zwart gat je kapot nog voordat je de horizon passeert, het punt waar voorbij je niet langer aan de zwaartekracht van het gat kunt ontsnappen. Een groot gat laat je ­betrekkelijk lang heel. Daardoor kun je in theorie het valproces meemaken, tot ver in zijn binnenste.

Op termijn loopt het dan alsnog niet heel lekker met je af. Ergens in het gat – waar precies verschilt per exemplaar – word je zó heftig samengeperst dat je verandert in iets dat natuurkundigen met een knipoog ook wel ‘quarksoep’ noemen, een dikke smurrie waarin al je moleculen, atomen, protonen en neutronen kapot zijn geperst.

Illustratie van een ster die uiteengerukt wordt door een zwart gat. Beeld Hubble/Nasa

Mocht je voordat het zover is nog tijd hebben voor een laatste blik om je heen, dan zie je iets dat geen mens eerder zag: het mysterieuze binnenste van een zwart gat. Wat zich daar afspeelt is opnieuw afhankelijk van welke grote natuurkundetheorie ‘gelijk’ heeft.

De relativiteit stelt dat voorbij de horizon vooral veel lege ruimte zit met helemaal in het midden een singulariteit, een enkel afmetingsloos punt waarin alle massa zit samengepropt. Maar­ in de quantumfysica is zoiets helemaal niet mogelijk. ‘Een voorwerp moet volgens de quantumfysica altijd een bepaalde afmeting hebben’, zegt fysicus Marcel Vonk. Een ­singulariteit kan dan niet bestaan. Wat zich echt in het binnenste van een zwart gat afspeelt, weet dus niemand. Alleen de natuurkunde kan het verlossende antwoord geven.

Over opgepompte wormgaten en extreme materie 

5. Kun je écht niet ontsnappen uit een zwart gat?

Waarschijnlijk niet. Het is al zeer onwaarschijnlijk dat je de weg naar binnen overleeft. Maar stel dat je dat op miraculeuze wijze voor elkaar bokst, dan is ­ontsnappen alsnog een fikse opgave. Je moet namelijk de mazzel hebben dat net jouw zwarte gat een uitgang heeft.

Die kans bestaat gelukkig wel – op papier, natuurlijk. Een zwart gat kan onderdeel zijn van een zogeheten wormgat: een tunnel die een zwart gat verbindt met zijn tegenpool. Dat ‘witte gat’ slokt je niet op, maar spuugt je uit. Een kosmische nooduitgang, dus, alleen kun je er niet heel gemakkelijk komen. ‘De tunnel vernauwt volgens de relativiteitstheorie in het midden opnieuw tot vrijwel een enkel punt’, zegt Vonk.

‘Wil je levend passeren, dan moet je het wormgat dus een ‘keel’ geven’, zegt Vonk. Dat wil zeggen: je moet het wormgat stutten, de doorgang zo ver oprekken dat-ie breed genoeg is voor een mens. Daarvoor heb je alleen wel behoorlijk ­extreem spul nodig: materie met een ­negatieve zwaartekracht, bijvoorbeeld, een goedje dat andere voorwerpen niet aantrekt, maar wegduwt. Alleen: waar vind je zoiets volkomen bizars? ­Bestaat het wel? Geen natuurkundige die het weet.

Tot voor kort dachten fysici bovendien dat zwarte gaten je voor de buitenwereld volledig uit het bestaan wissen, uitgummen totdat niets resteert. Sinds een aantal jaar twijfelen experts daar toch een beetje aan.

De in maart overleden fysicus ­Stephen Hawking ontdekte als eerste dat deeltjes volgens de quantumtheorie wel degelijk uit zwarte gaten kunnen ontsnappen. Niet gek, wanneer je bedenkt dat deeltjes volgens die theorie bizarre capriolen kunnen uithalen zoals op meerdere plaatsen tegelijk zijn en door dichte muren bewegen. Mensen, die wat minder flexibel in hun vel zitten, is zoiets niet gegeven. Die zitten in zwarte gaten muurvast.

De vraag is vervolgens: zeggen die ontsnappende deeltjes nog iets over wat daarvoor in het gat is verdwenen? De meeste natuurkundigen denken tegenwoordig van wel. Vonk: ‘Hoewel je dus niet ­levend aan een zwart gat kunt ontsnappen, ontsnapt jouw laatste gedachte voordat je het loodje legde misschien wél.’

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.