Stephen Hawking liet bijna vijftig jaar geleden zien dat een zwart gat heel langzaam kan verdampen door straling uit te zenden. Nijmeegse onderzoekers laten nu zien dat dergelijke straling zich niet beperkt tot zwarte gaten.
Theoretisch natuurkundige Stephen Hawking toonde aan dat zwarte gaten niet de extreem stabiele objecten waar we ze voor gehouden hadden. Ze kunnen via een quantumeffect straling uitzenden, waardoor ze langzaam verdampen. Deze Hawkingstraling zou uniek zijn voor zwarte gaten, omdat hij alleen optreedt bij de waarnemingshorizon. Dit is de grens waarvoorbij niets uit een zwart gat kan ontsnappen, zelfs licht niet.
Drie wetenschappers van de Radboud Universiteit in Nijmegen hebben nu aangetoond dat die waarnemingshorizon toch niet zo essentieel is. Met hun theoretische onderzoek, gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters, laten ze zien dat zulke straling opgewekt wordt door alles wat de ruimtetijd kromt door zwaartekracht. Dat kan betekenen dat niet alleen zwarte gaten, maar alle objecten in het heelal heel langzaam verdampen.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Hawkingstraling
Hawkingstraling ontstaat door kleine fluctuaties in quantumvelden die overal in het heelal aanwezig zijn. Bij die fluctuaties ontstaan ‘virtuele’ deeltjesparen. Onder normale omstandigheden recombineren die snel met elkaar, om zo te verdwijnen in de borrelende quantumzee waar ze uit geboren waren. Als dit gebeurt bij de de waarnemingshorizon van een zwart gat, kan de ene helft van een deeltjespaar in het zwarte gat verdwijnen. Het andere deeltje ontsnapt dan als Hawking-straling.
De energie die de Hawkingstraling meeneemt, is onttrokken het aan het zwarte gat. Dat verliest dus een heel klein beetje energie, wat resulteert in een massaverlies, volgens Einsteins bekende formule E = mc². Zo verdampt het zwarte gat heel langzaam door straling uit te zenden.
Waarnemingshorizon
Het Radboud-onderzoek is een samenwerking tussen astrofysicus Michael Wondrak, wiskundige Walter van Suijlekom en sterrenkundige Heino Falcke. Samen berekenden ze wat er gebeurt als quantumfluctuaties niet op de waarnemingshorizon, maar iets verder weg van het zwarte gat ontstaan. Ze onderzochten het ontstaan van massaloze deeltjes, zoals lichtdeeltjes, in een gebied waar de zwaartekracht van het zwarte gat nog steeds zo sterk is, dat de ruimtetijd gekromd is.
‘Als daar een virtueel deeltjespaar ontstaat, dan verkennen beide deeltjes net een andere omgeving en ervaren dus net een andere kracht, door de aanwezige kromming’, vertelt Wondrak. ‘Daardoor worden ze uit elkaar getrokken en kunnen ze niet meer recombineren. Ze worden dan “echt”, en komen vrij als straling.’
Bij dit mechanisme is het dus niet noodzakelijk dat een van de twee achter de waarnemingshorizon in een zwart gat verdwijnt, wat bij Hawkingstraling wel gebeurt. Beide deeltjes kunnen ontsnappen, als ze ver genoeg bij het zwarte gat vandaan zijn. Wondrak: ‘Dat gebeurt als je 1,5 keer verder bent dan de schwarzschildstraal, de afstand van het centrum tot de waarnemingshorizon van het zwarte gat.’
Aard straling
De onderzoekers zijn er nog niet uit of dit mechanisme iets is dat naast Hawkingstraling kan bestaan of dat Hawkingstraling er onderdeel van is. In dat laatste geval zou Hawkingstraling het resultaat zijn van dit mechanisme dicht bij de waarnemingshorizon.
‘Het idee dat kromming en het ontstaan van deeltjes – of straling – samengaan is niet nieuw’, zegt Van Suijlekom. ‘Wij hebben dit vooral uitgewerkt en gekeken wat dat betekent voor het ontstaan van straling in een ruimer gebied rondom het zwarte gat dan alleen de waarnemingshorizon. Er is nog meer onderzoek nodig om te begrijpen wat precies de aard van deze straling is.’
Het daadwerkelijk aantonen van het bestaan van deze straling, of van Hawkingstraling, zit er voorlopig niet in. Als het bestaat is het namelijk zo zwak, dat het met de huidige technieken onmogelijk is om het waar te nemen.
Alles verdampt
Dat het ontstaan van deze straling niet afhankelijk is van een waarnemingshorizon, maar enkel van de kromming van de ruimtetijd, betekent dat het effect zich dus niet beperkt tot zwarte gaten.
‘In principe kan elk object met massa dus deze straling creëren’, zegt Wondrak. ‘Alleen is het effect voor bijvoorbeeld planeten veel kleiner dan voor zware sterren, zoals neutronensterren of zwarte gaten. Maar het zou betekenen dat, als je lang genoeg wacht, uiteindelijk alle objecten in het heelal verdampen.’
Daarvoor heb je wel veel geduld nodig. Een zwart gat met dezelfde massa als de zon zou er 1067 jaar over doen om te verdampen door het uitzenden van Hawkingstraling.
