zwart gat
Zwarte gaten kunnen volgens astronomen een mysterieuze vorm van energie verklaren die het grootste deel van het heelal uitmaakt. Het bestaan van “donkere energie” is afgeleid uit waarnemingen van sterren en sterrenstelsels, maar niemand heeft kunnen verklaren wat het is, of waar het vandaan komt.
Het spul, of de materie, waaruit de vertrouwde wereld om ons heen bestaat, is slechts 5% van alles in het heelal. Nog eens 27% is donkere materie, een schimmige tegenhanger van gewone materie die geen licht uitzendt, reflecteert of absorbeert. Maar het grootste deel van de kosmos – ongeveer 68% – is donkere energie.
Het nieuwe bewijs dat zwarte gaten de bron van donkere energie zouden kunnen zijn, wordt beschreven in een wetenschappelijk artikel dat is gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters. De studie is het werk van 17 astronomen in negen landen en werd geleid door de Universiteit van Hawaï. De samenwerking omvatte ook onderzoekers in het Verenigd Koninkrijk, gevestigd bij STFC RAL Space, The Open University en Imperial College London.
Door gegevens van negen miljard jaar kosmische geschiedenis te doorzoeken, hebben de astronomen het eerste bewijs gevonden van “kosmologische koppeling”, wat zou betekenen dat de groei van zwarte gaten in de loop der tijd samenhangt met de uitdijing van het heelal zelf.
Het idee dat zwarte gaten iets bevatten dat vacuümenergie wordt genoemd (een verschijningsvorm van donkere energie) is niet bijzonder nieuw en werd in feite al in de jaren zestig theoretisch besproken. Maar dit laatste werk gaat ervan uit dat deze energie (en dus de massa van de zwarte gaten) zou toenemen met de tijd als het heelal uitdijt als gevolg van kosmologische koppeling.
Het team berekende hoeveel van de donkere energie in het heelal aan dit proces kan worden toegeschreven. Zij ontdekten dat zwarte gaten mogelijk de totale hoeveelheid donkere energie kunnen verklaren die wij vandaag de dag in het heelal meten. Het resultaat zou een van de meest fundamentele problemen in de moderne kosmologie kunnen oplossen.
Snelle uitdijing
Ons heelal begon met een oerknal, ongeveer 13,7 miljard jaar geleden. De energie van deze explosie van ruimte en tijd deed het heelal snel uitdijen, waarbij alle sterrenstelsels van elkaar wegvlogen. Wij verwachten echter dat deze uitdijing geleidelijk zou afnemen door het effect van de zwaartekracht op alles in de kosmos.
Dit is de versie van het heelal waarin we dachten te leven tot eind jaren negentig, toen de Hubble ruimtetelescoop iets vreemds ontdekte. Waarnemingen van verre exploderende sterren toonden aan dat het heelal in het verleden langzamer uitdijde dan nu.
De nieuwe ontdekking wordt toegelicht door Chris Pearson van RAL Space en The Open University.
De uitdijing van het heelal is dus niet vertraagd door de zwaartekracht, zoals iedereen dacht, maar juist versneld. Dit was hoogst onverwacht en astronomen worstelden om dit te verklaren.
Om dit te verklaren stelde men voor dat een “donkere energie” verantwoordelijk was voor het sterker uit elkaar duwen van de dingen dan de zwaartekracht de dingen bij elkaar trok. Het concept van donkere energie leek sterk op een wiskundige constructie die Einstein had voorgesteld, maar later verworpen – een “kosmologische constante” die de zwaartekracht tegenwerkte en ervoor zorgde dat het heelal niet instortte.
Sterrenexplosies
Maar wat is donkere energie? De oplossing lijkt te liggen in een ander kosmisch mysterie: zwarte gaten. Zwarte gaten ontstaan gewoonlijk wanneer massieve sterren exploderen en aan het eind van hun leven sterven. De zwaartekracht en druk van deze gewelddadige explosies drukt enorme hoeveelheden materiaal samen in een kleine ruimte. Een ster met ongeveer dezelfde massa als onze zon zou bijvoorbeeld worden samengeperst in een ruimte van slechts enkele tientallen kilometers.
De aantrekkingskracht van een zwart gat is zo sterk dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen – alles wordt naar binnen gezogen. In het centrum van het zwarte gat bevindt zich een plek die een singulariteit wordt genoemd, waar materie wordt samengeperst tot een punt van oneindige dichtheid. Het probleem is dat singulariteiten een wiskundige constructie zijn die niet zou moeten bestaan.
Donkere energie verklaart waarom de uitdijing van het heelal versnelt.
NASA/JPL-Caltech, Auteur verstrekt
De zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels zijn veel zwaarder dan de gaten die ontstaan wanneer sterren met geweld sterven. Deze galactische “supermassieve” zwarte gaten kunnen miljoenen tot miljarden keren de massa van onze zon wegen.
Alle zwarte gaten worden groter door materie te verzamelen, door sterren op te slokken die te dichtbij komen, of door samen te smelten met andere zwarte gaten. We verwachten dus dat ze groter worden naarmate het heelal ouder wordt.
In het laatste artikel keek het team naar superzware zwarte gaten in het centrum van sterrenstelsels en ontdekte dat deze zwarte gaten in de loop van miljarden jaren aan massa winnen.
Radicale heroverweging
Het team vergeleek waarnemingen van elliptische sterrenstelsels, waar geen stervorming plaatsvindt, in het verleden en in het heden. Deze dode sterrenstelsels hebben al hun brandstof verbruikt, zodat een eventuele toename van hun zwarte gatmassa in deze periode niet kan worden toegeschreven aan de normale processen waarbij zwarte gaten groeien door materie op te hopen.
In plaats daarvan stelde het team voor dat deze zwarte gaten eigenlijk vacuümenergie bevatten en dat zij “gekoppeld” zijn aan de uitdijing van het heelal, zodat zij in massa toenemen naarmate het heelal uitdijt.
Een visualisatie van een zwart gat, dat een rol zou kunnen spelen bij donkere energie.
NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman, Auteur verstrekt
Dit model biedt netjes een mogelijke oorsprong voor de donkere energie in het heelal. Het omzeilt ook de wiskundige problemen die sommige studies van zwarte gaten beïnvloeden, omdat het de noodzaak van een singulariteit in het centrum vermijdt.
Het team berekende ook hoeveel van de donkere energie in het heelal zou kunnen worden toegeschreven aan dit koppelingsproces. Zij concludeerden dat het mogelijk is dat zwarte gaten de benodigde hoeveelheid vacuümenergie leveren om alle donkere energie te verklaren die wij vandaag de dag in het heelal meten.
Dit zou niet alleen de oorsprong van donkere energie in het heelal verklaren, maar ons ook radicaal doen nadenken over ons begrip van zwarte gaten en hun rol in de kosmos.
Er moet nog veel meer werk worden verricht om dit idee te testen en te bevestigen, zowel vanuit waarnemingen aan de hemel als vanuit de theorie. Maar misschien zien we eindelijk een nieuwe manier om het probleem van de donkere energie op te lossen.
Chris Pearson ontvangt financiering van STFC en is hoofd astronomie bij STFC RAL Space en gastdocent aan de Open Universiteit.
Dave Clements ontvangt financiering van STFC en UKSA en werkt aan het Imperial College London.