Als je door een zwart gat reist, waar ga je dan heen?

Stel, je staat op het punt om in een zwart gat te springen. Stel dat je dat ook nog eens overleeft, waar zou je dan terechtkomen? En welke verleidelijke verhalen zou je kunnen ontlokken als het je zou lukken om je weg terug te vinden?

Er zijn nog veel geheimen rondom zwarte gaten. Als je voorbij de waarnemingshorizon komt, dan is het onmogelijk om nog een bericht terug te sturen. Je wordt dan letterlijk uit elkaar getrokken door de gigantische zwaartekracht, dus het is vrij onwaarschijnlijk dat je dan “ergens” uit gaat komen. Misschien had je een spannend verhaal verwacht, maar dit het teleurstellende, pijnlijke en meest voor de hand liggende antwoord op de vraag. Einstein voorspelde met zijn Algemene Relativiteitstheorie al dat er zwarte gaten zouden moeten bestaan. Door de eigenschappen van de ruimte-tijd te koppelen aan die van de gravitatiekracht is het bekend dat zwarte gaten het product zijn van de dood van een gigantische ster, waarvan alle bijna alle massa in een heel klein en dichte sterrest is achtergebleven. Als we er van uit gaan dat deze sterrest meer dan ongeveer drie keer de massa van onze zon heeft, dan zou de zwaartekracht zo sterk zijn dat de sterrest eigenlijk geheel in elkaar wordt geperst in een enkel punt (we noemen zo’n punt een singulariteit).

Er is dan een zwart gat geboren die zo’n grote zwaartekracht heeft dat zelfs het licht hier niet aan kan ontsnappen. Dus wanneer je je op de waarnemingshorizon van een zwart gat bevindt, zoals Karl Schwarzschild ooit heeft gedefinieerd, dan is er geen weg meer terug. De getijdekrachten rekken je lichaam helemaal uit, doordat de kracht die aan je voeten trekt groter is dan de kracht die aan je hoofd trekt en je lichaam wordt een streng van atomen (dat heet spaghettificatie). En uiteindelijk worden je atomen ook uit elkaar getrokken. Het idee om in een zwart gat te springen om vervolgens ergens anders uit te komen is dus volkomen onwerkelijk.

Of is het toch wel mogelijk? In de loop van de jaren hebben wetenschappers gekeken naar de mogelijkheid dat zwarte gaten misschien wormgaten kunnen zijn naar andere sterrenstelsels of zelfs naar een ander heelal. Dat idee leeft al best wel een tijdje. Einstein werkte nauw samen met Nathan Rosen. In 1935 werkte zij aan een theorie die moest bewijzen dat het mogelijk was om twee verschillende punten in de ruimte-tijd te verbinden. Astronomen brachten toen een discussie op gang over de vraag of objecten daar dan ook fysiek doorheen konden gaan reizen. Kip Thorne, die in 2017 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontving, heeft hier zelfs een pakkend boek over geschreven. Maar Thorne stelt ook dat er geen objecten te vinden zijn in het heelal die wormgaten zouden kunnen worden naarmate ze ouder worden. Het reizen door deze theoretische tunnels zou volgens hem science fiction blijven. Er is geen enkel gegrond bewijs dat een zwart gat zo’n doorgang zou hebben of mogelijk zou kunnen maken.

Er is echter één probleem: we zijn nog nooit in de buurt geweest van een zwart gat. Onlangs is er voor het eerst een foto gemaakt van de omgeving van een zwart gat, maar de foto laat niet zien wat er zich in het zwarte gat afspeelt. Het licht kan er immers niet meer uit. Alles wat voorbij de horizon van een zwart gat gaat, verdwijnt voor eeuwig in het zwarte gat. Het bijzondere is wel dat de tijd bij deze grens enorm is vertraagd als gevolg van de relativiteitstheorie, waardoor je ook nooit echt goed kunt waarnemen of en hoe een object wordt opgegeten door een zwart gat. Voor ons lijkt de tijd daar stil te staan. Een waarnemer zal zijn vriend nooit in een zwart gat zien vallen. Alleen wordt hij roder en zwakker naarmate hij de gebeurtenishorizon nadert als gevolg van roodverschuiving. Maar vanuit het perspectief van de vriend valt hij recht in het zwarte gat om er voor eeuwig te blijven.

Maar als zwarte gaten ons toch naar een ander deel van een sterrenstelsel of een ander universum zouden kunnen leiden, zou er “iets” aan de andere kant moeten zijn. De Russische astronoom Igor Novikov stelde in 1964 dat dat een wit gat zou kunnen zijn. In tegenstelling tot een zwart gat staat een wit gat licht en materie toe om te vertrekken, maar licht en materie kunnen niet in een zwart gat komen. Eigenlijk precies het tegenovergestelde van een zwart gat, dus.

Wetenschappers zijn de mogelijke verbinding tussen zwarte en witte gaten blijven onderzoeken. In hun studie uit 2014, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review, beweerden natuurkundigen Carlo Rovelli en Hal M. Haggard dat “er een klassieke metriek is die voldoet aan de Einstein-vergelijkingen buiten een eindige ruimte-tijdregio waar materie instort in een zwart gat en vervolgens tevoorschijn komt uit een wit gat. ” Met andere woorden, al het materiaal dat zwarte gaten heeft ingeslikt, kan worden uitgespuwd en zwarte gaten kunnen witte gaten worden wanneer ze sterven.

Dat zou betekenen dat de ineenstorting van een zwart gat op een of andere manier wordt gestopt. Het zou in plaats daarvan een kwantumsprong ervaren, waardoor informatie kan ontsnappen in plaats van dat het wordt vernietigd. Mocht dit het geval zijn, dan zou dit enig licht werpen op een voorstel van de onlangs overleden natuurkundige Stephen Hawking, die in de jaren 1970 de mogelijkheid onderzocht dat zwarte gaten deeltjes en straling – thermische warmte – uitzenden als gevolg van kwantumfluctuaties. Hawking stelde dat een zwart gat niet eeuwig bestaat. Als gevolg van zijn beweringen dat de uitgestraalde straling willekeurig zou zijn en geen informatie zou bevatten over wat erin was gevallen, zou het zwarte gat bij het verdampen dus heel veel informatie wissen.

Dit betekende dat het idee van Hawking op gespannen voet stond met de kwantumtheorie, die zegt dat informatie niet kan worden vernietigd. De natuurkunde stelt dat informatie alleen moeilijker te vinden wordt omdat als het verloren gaat, het onmogelijk wordt om het verleden of de toekomst te kennen. Het idee van Hawking leidde tot de ‘paradox van informatie over het zwarte gat’ en heeft wetenschappers al lang tot wanhoop gebracht. Sommigen hebben gezegd dat Hawking’s idee gewoon fout was en zelfs Hawking gaf op een conferentie in 2004 in Dublin aan dat hij er misschien wel helemaal naast zat.

Jorge Pullin van de Louisiana State University en Rodolfo Gambini van de Universiteit van de Republiek in Montevideo hebben loop-kwantumzwaartekracht nu toegepast op een enkel zwart gat. Zij hoopten de singulariteit ook te kunnen laten verdwijnen.

Richting het centrum van het zwarte gat nam de zwaartekracht nog steeds toe, maar de wetenschappers kwamen in hun model geen singulariteit tegen. Uiteindelijk nam de zwaartekracht weer af, alsof je het zwarte gat had verlaten en in een ander deel van het universum of een heel ander universum was aanbeland.

Zwarte gaten kunnen op deze manier dienen als poorten naar andere universa. Een zwart gat zuigt niet oneindig materie en informatie op, maar zou op den duur moeten verdampen. De informatie zou dan voor altijd verdwijnen, iets wat in strijd is met de kwantummechanica.

Maar als een zwart gat geen singulariteit bevat, hoeft de informatie niet noodzakelijkerwijs verloren te zijn. De informatie is dan mogelijk naar een ander universum verplaatst.

Toch geloofden fysici Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski en James Sully nog steeds dat Hawking gelijk zou kunnen hebben. Ze werkten aan een theorie die bekend werd als de AMPS-firewall of de black hole-firewallhypothese. Volgens hun berekeningen zou de kwantummechanica de horizon van de gebeurtenis mogelijk in een gigantische muur van vuur kunnen veranderen en alles dat in contact komt met deze muur zou in een flits gaan branden. Dat betekent dat zwarte gaten min of meer leeg zijn, doordat er nooit iets binnen kan komen.

Dit is echter in strijd met de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Iemand die de gebeurtenishorizon voorbij gaat, zou eigenlijk geen weerstand moeten voelen, omdat hij in vrije val zou zijn en op basis van het gelijkwaardigheidsprincipe zou deze persoon de extreme effecten van zwaartekracht niet kunnen voelen. Misschien dat er in het verre heelal andere natuurwetten zouden gelden, maar zelfs als het niet in strijd zou zijn met het principe van Einstein, zou het de kwantumveldentheorie ondermijnen of suggereren dat informatie verloren kan gaan.

In 2014 publiceerde Hawking een studie waarin hij het bestaan ​​van een gebeurtenishorizon in twijfel trok. Hij stelde dat gravitatie-instorting tot een soort van ‘schijnbare horizon’ zou leiden. Deze horizon zou lichtstralen breken en proberen van de kern van het zwarte gat af te bewegen en zou “een tijdsperiode” blijven bestaan. Volgens Hawking behouden deze schijnbare horizonten tijdelijk materie en energie voordat ze worden opgeslokt om ze later weer vrij te kunnen geven. Deze verklaring past het beste bij de kwantumtheorie die zegt dat informatie niet kan worden vernietigd. Bovendien stelt het ook dat in theorie alles uit een zwart gat kan ontsnappen. Hawking ging zelfs zo ver dat zwarte gaten misschien niet eens zouden bestaan. Zwarte gaten moeten opnieuw worden gedefinieerd als metastabiele gebonden toestanden van het zwaartekrachtveld, schreef hij. Er zou geen singulariteit zijn en, hoewel het schijnbare veld als gevolg van de zwaartekracht naar binnen zou bewegen, zou het nooit het centrum bereiken en verdwijnen in een dichte massa.

Alles wat wordt uitgezonden zal echter niet de vorm hebben van de ingeslikte informatie. Het zou onmogelijk zijn om erachter te komen wat er binnenkwam door te kijken naar wat eruit komt.

Tja, een ding is zeker: dit grote mysterie zal nog heel lang heel veel wetenschappelijke uren verslinden. Rovelli en Francesca Vidotto suggereerden onlangs dat een component van donkere materie zou kunnen worden gevormd door overblijfselen van verdampte zwarte gaten. Hawking’s theorie over zwarte gaten en ‘soft hair’ werd gepubliceerd in 2018.  Het beschrijft hoe nul-energiedeeltjes rond het punt worden achtergelaten waarop ze niet meer terug kunnen: de gebeurenishorizon.  Een idee dat suggereert dat informatie niet verloren gaat maar wordt vastgelegd.

Dit was een klap in het gezicht van de “no-hair” theorie die werd geformuleerd door natuurkundige John Archibald Wheeler die stelde dat twee zwarte gaten niet te onderscheiden waren voor een waarnemer omdat de speciale eigenschappen van deeltjes niet zou kunnen blijven bestaan.

Er zijn dus veel ideeën waar wetenschappers over discussiëren maar er is nog een lange weg te gaan voordat we weten wat er nu echt in een zwart gat gebeurd en of het ons ergens naartoe kan leiden. Konden we nu maar een manier bedenken om er in te springen…