Hebben zwarte gaten dan toch 'haar' en is dat de oplossing voor de informatie-paradox van Stephen Hawking?

Zwarte gaten zonder haar of met haar, dat vraagt om (meer dan) een woordje uitleg. 

De meeste mensen weten waarschijnlijk wel dat de zwaartekracht van een zwart gat zo krachtig is dat niets, zelfs licht niet, eruit kan ontsnappen en dat zwarte gaten alles in hun omgeving opslokken en daardoor zwaarder worden. 

Maar dat is niet het hele verhaal. Als een zwart gat een olifant is, dan is er ook een kwantummuis, een onwaarschijnlijk, klein kwantumfenomeen, dat aan de olifant kan knabbelen tot die helemaal verdwenen is. En dat is de hawkingstraling. 

Een zwart gat ontstaat wanneer een ster met een voldoende massa, zowat 10 tot 100 keer de zonnemassa, aan het einde van haar leven komt en geen brandstof meer heeft om de nucleaire reacties in haar binnenste gaande te houden. 

Die reacties oefenen een druk uit naar buiten toe en als ze stilvallen komt er een punt waarop de druk niet meer in staat is om de kracht van de zwaartekracht van de ster tegen te gaan. 

Als dat gebeurt, volgt er een spectaculaire instorting en in sommige gevallen is de zwaartekracht zo sterk dat de instorting voortgaat tot er een volume van nul en een oneindige dichtheid bereikt is. Dat noemt men een singulariteit, een enkel punt in de ruimtetijd met de hele massa van de ingestorte ster. Of een zwart gat dus. 

En hoewel zwarte gaten voor onderzoekers misschien wel de meest extreme laboratoria in het universum zijn om hun theorieën te testen, zijn ze voor natuurkundigen wiskundig gezien erg eenvoudige objecten. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein hebben zwarte gaten maar drie waarneembare kenmerken: massa, elektrische lading en spin of impulsmoment. 

Twee zwarte gaten met dezelfde massa, lading en spin zijn dus perfecte tweelingen, ze zijn niet van elkaar te onderscheiden aangezien ze geen andere kenmerken hebben, geen andere informatie over zichzelf of de objecten die ze opgeslokt hebben, blootgeven aan een waarnemer. Dat bracht de Amerikaanse fysicus John Archibald Wheeler er in de jaren 60 toe te zeggen dat "zwarte gaten geen haar hebben", wat de geen-haar-theorie (no-hair theorem) genoemd wordt. 

Een singulariteit veroorzaakt een opmerkelijk fenomeen: de waarnemingshorizon. 

Alle lichamen met een massa in het universum hebben een ontsnappingssnelheid, de snelheid die nodig is om de aantrekking van de zwaartekracht van het lichaam te overwinnen. Die snelheid neemt toe naarmate je dichter bij het middelpunt van de zwaartekracht van het object komt. 

Bij zwarte gaten maakt dat dat de ontsnappingssnelheid groter is dan de lichtsnelheid, de grootste snelheid waarmee iets zich in het universum kan bewegen, tot op een bepaalde afstand van de singulariteit, het puntje in de ruimte waar de massa zit. Dat noemt men de Schwarzschildradius en daar vormt zich de waarnemingshorizon. Eenmaal die horizon voorbij, kan men niets meer waarnemen, aangezien er niets uit kan ontsnappen, geen licht en zelfs niet de kleinste deeltjes. 

De kwantumveldentheorie stelt dat er overal rondom ons constant een bizar fenomeen plaatsvindt: elk leeg stukje ruimte in het universum, zelfs binnen in atomen, kolkt van de kwantumfluctuaties die voortgebracht worden door virtuele deeltjes. 

In een vacuüm ontstaan voortdurend virtuele deeltjes, deeltjes en anti-deeltjes die spontaan verschijnen en elkaar onmiddellijk vernietigen. 

Normaal gezien oefenen die geen invloed uit op de rest van het universum, aangezien het enige wat ze doen, is elkaar enorm snel wederzijds vernietigen, maar dat wordt anders als ze langs de rand van de waarnemingshorizon van een zwart gat verschijnen, wat ook gebeurt.

In dat geval wordt één deeltje van het paar in het zwarte gat gezogen nog voor ze de tijd hebben om elkaar te vernietigen en het andere deeltje kan dan de ruimte inschieten en ontsnappen als een vorm van zwarte straling. Dat is een warmtestraling die bekend staat als hawkingstraling, naar de Britse fysicus Stephen Hawking die in 1975 berekeningen publiceerde waaruit het bestaan van de straling bleek. (Overigens is dit een vereenvoudigde analogie: de werkelijke theorie is nog veel ingewikkelder.)    

Op het eerste gezicht lijkt de plots verschijnende hawkingstraling in te gaan tegen het behoud van energie. Alle energie die nu bestaat, heeft altijd bestaan en zal ook blijven bestaan. Energie kan niet zomaar uit het niets gecreëerd worden (of vernietigd worden). 

Gelukkig wordt de hawkingstraling gecompenseerd door iets anders: het virtuele deeltje dat in het zwarte gat gezogen wordt, draagt even veel negatieve energie met zich mee als er positieve energie uitgestuurd wordt door de hawkingstraling. Op die manier blijft de energierekening van het universum in evenwicht. 

En aangezien we dankzij E=mc² weten dat energie omgezet kan worden in massa, wordt die negatieve energie van het virtuele deeltje omgezet in negatieve massa, die de massa van het zwarte gat kleiner maakt. 

De vermindering van de massa van het zwarte gat door de negatieve massa van één virtueel deeltje is heel, heel, heel klein, maar het oppervlak van de waarnemingshorizon krioelt van de virtuele deeltjes. 

Al die kleine negatieve massa's samen hebben wel degelijk een effect op het zwarte gat en als dat er niet in slaagt zijn massa te vergroten door materie uit de buurt op te slokken, zal het na een erg lange tijd al zijn massa verliezen door de hawkingstraling en volledig 'verdampen'. 

Aangenomen wordt dat dit enkel nog maar gebeurd is met de minuscule, primordiale zwarte gaten die kort na de oerknal gevormd zijn. Voor stellaire en al helemaal voor superzware zwarte gaten is de tijd die nodig is om helemaal te verdampen, flink wat langer dan de 13,8 miljard jaar dat het universum al bestaat. Het is dus erg onwaarschijnlijk dat een dergelijk zwart gat al ooit verdampt is.  

Ook al weten we dus niet met zekerheid of er al ooit een zwart gat volledig verdampt is, alleen al de mogelijkheid veroorzaakt een van de grootste problemen in de fysica, waar wetenschappers zich al bijna 50 jaar het hoofd over breken: de informatieparadox van zwarte gaten of de hawkingparadox. Die opent de mogelijkheid dat ofwel de algemene relativiteitstheorie ofwel de kwantummechanica fout zouden kunnen zijn, de twee pijlers waarop het grootste deel van onze kennis van het universum gebaseerd is. 

Wat is het probleem? De algemene relativiteitstheorie van Einstein zegt dat informatie over wat er in een zwart gat verdwijnt, niet uit dat zwarte gat kan geraken. 

Er is aangetoond dat hawkingstraling geen informatie bevat over het deeltje van het paar dat verdwenen is in het zwarte gat, en als de hawkingstraling geen informatie geeft, betekent dit dat alle informatie die in een zwart gat verdwijnt, daar voor altijd blijft. 

Dat is echter een probleem voor de kwantumveldentheorie, waarin een fundamentele wet zegt dat elk proces mathematisch omgekeerd kan worden, wat betekent dat informatie niet onherroepelijk verloren kan gaan. 

Informatie mag vreselijk door elkaar gegooid worden of voor altijd opgesloten blijven in een zwart gat, zolang dat zwarte gat blijft bestaan, is de informatie nog altijd ergens in het universum aanwezig. 

Maar aangezien hawkingstraling geen informatie vanuit het zwarte gat naar buiten brengt en er voor zorgt dat het zwarte gat op termijn volledig zal verdwijnen, met alle informatie die het bevat, is dat een schending van de wet van het behoud van informatie. En dus zou er iets mis zijn met de algemene relativiteitstheorie of met de kwantummechanica. 

Er zijn al veel pogingen geweest om de hawkingstraling te verzoenen met de wet op het behoud van informatie, maar tot nog toe is er geen enkele die echt voldoet (en sommige pogingen hebben zelfs bijkomende problemen opgeleverd).  

Maar nu zeggen vier natuurkundigen dus dat ze een oplossing voor het probleem hebben gevonden.  

De vier onderzoekers, professor Xavier Calmet en student Folkert Kuipers van de University of Sussex, professor Roberto Casadio van de Universitá di Bologna en professor Stephen Hsu van de Michigan State University, hebben samen twee studies geschreven waarvan ze zeggen dat die onze zienswijze op zwarte gaten aanzienlijk zullen veranderen en de paradox zullen oplossen.  

In de eerste studie zeggen de onderzoekers dat ze aantonen dat zwarte gaten complexer zijn dan tot nu gedacht werd en dat ze een gravitationeel veld - een zwaartekrachtveld - hebben waarin op kwantumniveau informatie zit opgeslagen over hoe ze gevormd zijn. 

Ze gebruikten specifieke wiskundige methoden, die de laatste tien jaar voor het grootste deel aan de University of Sussex ontwikkeld werden, om berekeningen in kwantumzwaartekracht te verrichten. Daarmee konden ze naar eigen zeggen expliciet aantonen dat materie die instort tot een zwart gat, een afdruk nalaat in het zwaartekrachtveld van het zwarte gat, als er rekening wordt gehouden met kwantumgravititionele correcties. Die afdruk noemen de wetenschappers 'kwantumhaar van zwaartekracht'. 

Meer bepaald vergeleken ze de zwaartekrachtvelden van twee sterren met dezelfde totale massa en dezelfde straal maar met een verschillende samenstelling. Op het klassieke niveau hebben de twee sterren hetzelfde gravititionele potentieel maar op het kwantumniveau hangt dat potentieel af van de samenstelling. 

Als de sterren instorten tot zwarte gaten, bewaren hun zwaartekrachtvelden de herinnering aan het materiaal waaruit ze gemaakt waren en dat leidt volgens de onderzoekers tot de conclusie dat zwarte gaten toch haar hebben. 

In een vervolgstudie stellen professor Calmet en professor Hsu dat hun kwantumhaar een mechanisme biedt waardoor informatie behouden blijft tijdens de instorting van een zwart gat en dat dit een oplossing is voor de informatieparadox van zwarte gaten.

"Zwarte gaten worden al lang beschouwd als het perfecte laboratorium om te onderzoeken hoe de algemene relativiteitstheorie van Einstein verenigd kan worden met de kwantummechanica", zei Calmet. "Algemeen werd aangenomen in de wetenschappelijke wereld dat het oplossen van deze paradox een enorme paradigmaverschuiving in de fysica zou vereisen, en mogelijk de herformulering van ofwel de kwantummechanica of de algemene relativiteit zou nodig maken."

"Wat wij echter ontdekt hebben - en wat ik bijzonder opwindend vind - is dat dit niet nodig is. Onze oplossing heeft geen enkel speculatief idee nodig, ons onderzoek toont integendeel aan dat de twee theorieën gebruikt kunnen worden om consistente berekeningen te maken voor zwarte gaten en te verklaren hoe informatie opgeslagen wordt zonder dat er een radicaal nieuwe fysica nodig is."

"Het blijkt dat zwarte gaten eigenlijk brave kinderen zijn, die vasthouden aan de herinnering aan de sterren die hen het leven hebben geschonken", zo zei hij. 

Calmet gaf wel toe dat het een tijd kan duren voor de oplossing van de vier onderzoekers aanvaard wordt. Dat komt omdat het zo'n belangrijke kwestie is in de fysica, waar veel beroemde natuurkundigen over heel de wereld al bijna 50 jaar rond gewerkt hebben en waarvoor sommigen radicale oplossingen voorgesteld hebben. 

"Hawking bedacht de paradox in het jaar dat ik geboren ben", zei Calmet aan de BBC. "Dus het zal een tijdje duren voor mensen aanvaarden dat je geen radicale oplossing nodig hebt om het probleem op te lossen." 

Dat blijkt alvast uit de reactie van astrofysicus Heino Falcke van de Radboud Universiteit Nijmegen. Aan de NOS zei hij dat hij blij is met de nieuwe ontwikkeling die "een nieuwe draai geeft aan het verhaal", maar dat er nog aannames en gaten in de stelling zitten. De conclusie dat het probleem nu opgelost is, vindt hij dan ook voorbarig, er is nog meer onderzoek nodig. 

De eerste studie van de vier onderzoekers is gepubliceerd in Physical Review Letters, de vervolgstudie van Calmet en Hsu in Physics Letters B. Dit artikel is onder meer gebaseerd op een persbericht van de University of Sussex, BBC News en NOS Nieuws.