Diemen (NL) – “Zwarte gaten zijn onwaarschijnlijk. In plaats daarvan komen er in de ruimte zogenaamde gravasterren voor.” Twee Amerikaanse natuurkundigen vallen de zwarte-gatentheorie aan.


Met een artikel in Physical Review Letters hebben de Amerikaanse natuurkundigen Emil Mottola en Pawel Mazur flink wat stof doen opwaaien. Ze bestrijden het model van het zwarte gat, dat Karl Schwarzschild begin 20e eeuw formuleerde op basis van Einsteins zwaartekrachtstheorie. Volgens het tweetal veranderen grote stervende sterren in schillen van extreem dichte materie, waarbinnen zich een exotische ruimte bevindt.

Het idee van een zwart gat werd niet direct door de wetenschap verwelkomd. Einstein zelf vond het te raar voor woorden. Later wonnen zwarte gaten aan populariteit. Zeer zware sterren eindigen hun leven als een supernova, een grote ontploffing. De resterende kern kan, mits zwaar genoeg, vervolgens ineenvallen tot een minuscuul hemellichaam met zoveel massa, dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen. Rondom dit zogenaamde zwarte gat is een denkbeeldige schil, de Schwarzschildhorizon, die de grens vormt tussen het gebied waar licht wel en waar licht niet aan het zwarte gat kan ontsnappen.
Binnenin de Melkweg en andere sterrenstelsels bevinden zich vele objecten die zo zwaar zijn, dat ze een zwart gat kunnen zijn. Al nemen telescopen de röntgenstraling waar die ontstaat wanneer materie naar een enorme massa toevalt, toch vormt dat nog geen bewijs dat er sprake is van een zwart gat.
Volgens Mottola en Mazur klopt het idee van een zwart gat niet met de kwantumwetten. Ze bestuderen kwantumzwaartekracht en onderzochten daarbij hoe kwantumschommelingen zich gedragen in ruimte, tijd en zelfs in energievelden. Kwantumschommelingen in elektromagnetische velden die kleine deeltjes, zoals fotonen, beschrijven, hebben gevolgen voor grootschalige verschijnselen zoals zwarte gaten. Mottola en Mazur menen dat de theoretici die destijds zwarte gaten beschreven, kwantumeffecten over het hoofd zagen. Daardoor schiepen ze een onechte ruimte-tijd. Zo zouden fotonen die naar een zwart gat vallen, een oneindige hoeveelheid energie hebben tegen de tijd dat ze de Schwarzschildhorizon bereiken. De klassieke theorie van zwarte gaten gaat voorbij aan de zwaartekrachtseffecten die daarmee samenhangen.
Mottola en Mazur stellen dat natuurkundigen teveel aanpassingen aan het model van zwarte gaten hebben moeten maken en dat er teveel tegenstellingen zijn om de theorie nog te geloven. Ze gooiden het over een andere boeg. Ze gaan ervan uit dat kwantumeffecten de ruimte-tijd zo veranderen dat er een nieuwe, vreemde soort ruimte-tijd ontstaat.

U-bocht
Het idee is dat als een ster ineenstort, het sterke zwaartekrachtsveld de kwantumschommelingen in de ruimte-tijd verstoort. Dat veroorzaakt een enorme, radicale verandering van de ruimte-tijd. Het resultaat is een condensaatbel. Die zou zijn omgeven door een dunne bolvormige schil bestaande uit zwaartekrachtsenergie, als een soort stationaire schokgolf in de ruimte-tijd, precies op de plek waar volgens de zwarte-gatentheorie de Schwarzschildhorizon is. Binnenin die schil wijkt de ruimte-tijd sterk af en levert die een naar buiten gerichte kracht. Daarom zou materie binnenin de schil een U-bocht maken en naar de schil vallen, terwijl materie buiten de schil ernaartoe blijft vallen.
Mazur en Mottola hebben bewezen dat deze zogenaamde gravasterren een stabiele oplossing van Einsteins vergelijkingen vormen. Bovendien leiden de gravasterren niet aan de wiskundige tekortkomingen van zwarte gaten. Volgens hun berekeningen bestaat een gravaster met een massa van vijftigmaal de Zon uit een schil met een diameter van driehonderd kilometer en een dikte van tien tot vijfendertig meter. Een theelepeltje van het materiaal heeft een massa van honderd miljoen ton, maar een temperatuur die nauwelijks boven het absolute nulpunt uitkomt.
Als klap op de vuurpijl wijst Mottola erop dat wellicht het Heelal zich binnenin een gigantische gravaster bevindt. De theoretische druk in het vacuüm daarbinnen lijkt op de druk die het Heelal doet uitzetten. Mazur en Mottola moeten nog flink rekenen aan dit idee, onder andere om de hoeveelheid gewone materie in het Heelal te verklaren, maar het vormt dan wellicht een nieuw kosmologisch model.
De discussie is losgebarsten. Sommige kosmologen denken dat een goede kwantumtheorie van de zwaartekracht het idee van een zwart gat voldoende zal bevestigen. Voor hen is deze kwantumbeschrijving van instortende reuzensterren te vreemd voor woorden.

Erick Vermeulen