Zwarte gaten zijn minder simpel dan gedacht. In sommige gevallen kunnen deze astronomische monsters meer dan drie eenvoudige eigenschappen hebben. Dat concluderen onderzoekers op basis van simulaties.
Hebben zwarte gaten haar? Het lijkt een gekke vraag, maar hij houdt natuurkundigen al decennia lang bezig. Wat ze ermee bedoelen: kunnen zwarte gaten gekarakteriseerd worden door meer dan drie eigenschappen?
Het huidige beeld is dat zwarte gaten geen ‘haar’ hebben. De enige drie eigenschappen waarin ze van elkaar kunnen verschillen, zijn: hun massa, hun draaiing en hun elektrische lading. Verder zijn ze ‘kaal’. Twee zwarte gaten zijn dus volledig identiek als ze even zwaar zijn, even snel ronddraaien en dezelfde lading hebben. Deze theorie over haarloze zwarte gaten is de afgelopen jaren bevestigd door waarnemingen van de zwaartekrachtsgolfdetectoren LIGO en Virgo.
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 ...
Maar de geen-haar-theorie blijkt niet altijd op te gaan. ‘Er zijn mazen in die theorie waardoor het haar eruit kan komen en kan worden gedetecteerd’, mailt natuurkundige Lior Burko.
Extreme zwarte gaten
Die mazen treden op bij zogenoemde ‘extreme’ zwarte gaten. Wat dat zijn: er is een grens aan hoeveel elektrische lading en draaiing een zwart gat kan hebben. Die grens is afhankelijk van de massa. Hoe zwaarder een zwart gat, hoe hoger de maximale hoeveelheid lading en draaiing. Extreme zwarte gaten bevatten de maximale hoeveelheid lading en draaiing voor hun massa.
Bij deze ‘extremen’ gebeurt er iets bijzonders bij de waarnemingshorizon: de ‘schil’ om het zwarte gat vanaf waar terugkeren onmogelijk is. ‘Volgens de geen-haar-theorie verdwijnt alles voorbij de waarnemingshorizon in het zwarte gat, zonder een spoor achter te laten’, mailt Gaurav Khanna van de Amerikaanse Universiteit van Massachusetts.
Maar volgens een theoretisch model van natuurkundige Stefanos Aretakis kan er bij extreme zwarte gaten wél een spoor achterblijven in de ruimtetijd bij de waarnemingshorizon. Deze ‘vingerafdruk’ zegt iets over hoe het zwarte gat is gegroeid. Hij is daarmee een vierde eigenschap, naast de massa, draaiing en elektrische lading. Oftewel: een vorm van haar.
Haar-waarnemingen
De onderzoekers hebben met simulaties aangetoond dat deze verstoringen bij de waarnemingshorizon inderdaad kunnen bestaan bij extreme zwarte gaten. Er piepen dan wat haartjes uit. ‘We ontdekten ook dat dit haar op afstand meetbaar is, bijvoorbeeld met zwaartekrachtgolfdetectoren op aarde zoals LIGO en de toekomstige ruimtedetector LISA’, zegt Khanna.
‘We verwachten niet dat deze detectoren extreme zwarte gaten zullen vinden’, zegt Burko. ‘Maar sub-extreme zwarte gaten – die maar een klein beetje verschillen van extreme – zijn misschien wél waarneembaar. Die zouden zich een tijdje kunnen gedragen als extreme zwarte gaten en dan even haar kunnen hebben, waarna ze weer kaal worden. Ik denk dat zwaartekrachtsgolfdetectoren dit kunnen detecteren.’
‘Omdat er al een versimpeld theoretisch model bestaat dat dit voorspelde, was ons resultaat geen complete verrassing’, zegt Khanna. ‘Toch waren we erg enthousiast dat er een meetbare gravitatiehaar kan bestaan. Dit haar kan ons mogelijk meer vertellen over het ontstaan en de evolutie van een zwart gat.’
