Als je in een zwart gat zou duiken (iets dat we niet zouden aanraden), zou je waarschijnlijk een bijzonderheid of een oneindig klein en dicht punt in het midden vinden. Of dat is wat natuurkundigen altijd hebben gedacht.
Maar nu suggereert een paar wetenschappers dat sommige zwarte gaten helemaal geen zwarte gaten zijn. In plaats daarvan zijn het misschien rare objecten boordevol donkere energie - de mysterieuze kracht waarvan wordt gedacht dat het de grenzen van het universum aandrijft, waardoor het zich steeds sneller uitbreidt.
"Als wat we dachten dat zwarte gaten waren, eigenlijk objecten zijn zonder bijzonderheden, dan is de versnelde uitdijing van ons universum een natuurlijk gevolg van Einsteins algemene relativiteitstheorie", zegt Kevin Croker, astrofysicus aan de Universiteit van Hawaï in Mānoa.
Croker en een collega beschrijven dit idee in een nieuwe studie, online gepubliceerd op 28 augustus in het Astrophysical Journal. Als ze gelijk hebben, en de singulariteit in het hart van een zwart gat kan worden vervangen door een rare energie die alles uit elkaar gooit, kan dat een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we over deze dichte objecten denken.
Het duo was niet op zoek naar wat er in een zwart gat zat. Croker en Joel Weiner, emeritus hoogleraar wiskunde aan dezelfde universiteit, keken naar de vergelijkingen van Friedmann, die vereenvoudigd zijn uit Einsteins algemene relativiteitstheorie. (Relativiteit beschrijft hoe massa en energie ruimte-tijd vervormen.) Natuurkundigen gebruiken Friedmanns vergelijkingen om de uitdijing van het heelal te beschrijven, deels omdat de wiskunde eenvoudiger is dan in Einsteins vergelijkingen die relativiteit beschrijven. Het team ontdekte dat, om Friedmanns vergelijkingen goed op te schrijven, ultradichte en geïsoleerde delen van de ruimte, zoals neutronensterren en zwarte gaten, op dezelfde wiskundige manier moesten worden behandeld als alle andere gebieden. Voorheen geloofden kosmologen dat het redelijk was om de interne details van ultra dichte en geïsoleerde gebieden, zoals de binnenkant van een zwart gat, te negeren.
"We hebben laten zien dat er maar één manier is om correct te zijn", vertelde Croker aan WordsSideKick.com. 'En als je het op die ene manier doet, wat de juiste manier is om het te doen, vind je een aantal interessante dingen.'
De nieuwe resultaten suggereren dat alle donkere energie die nodig is voor de versnelde uitdijing van het heelal, zou kunnen worden opgenomen in deze alternatieven voor zwarte gaten. De onderzoekers ontdekten dit in de wiskunde, nadat ze de manier hadden verbeterd om de vergelijkingen van Friedmann op te schrijven. En in een vervolgdocument ingediend bij The Astrophysical Journal en geplaatst op 7 september op het voordrukblad arXiv, toonden ze aan dat deze alternatieven voor zwarte gaten, genaamd Generic Objects of Dark Energy (GEODE's), ook kunnen helpen bij het verklaren van eigenaardigheden in gravitatie- golfobservaties uit 2016.
De wiskunde uit de vergelijkingen van Friedmann toonde aan dat deze ultradunne objecten in de loop van de tijd alleen maar aankomen door de uitdijing van het universum, zelfs als er geen materiaal in de buurt is om te consumeren. Net zoals licht dat door de uitbreidende ruimte reist, energie verliest - een effect dat bekend staat als roodverschuiving - verliest materie ook gewicht naarmate de ruimte groter wordt. Het effect is meestal zo klein dat het niet te zien is. Maar in ultra-dicht materiaal met zeer sterke druk binnenin, bekend als relativistisch materiaal, wordt het effect merkbaar. Donkere energie is erg relativistisch en de druk ervan werkt in tegenstelling tot normale materie en licht - dus objecten die ervan zijn gemaakt (zoals deze hypothetische GEODE's) worden in de loop van de tijd zwaarder.
'Licht is een beetje raar. Het gedraagt zich in veel opzichten contra-intuïtief,' zei Croker. 'Mensen hadden niet verwacht dat dit gedrag ook in andere objecten zou kunnen worden vertoond. Maar we toonden aan, ja, je kunt het in een ander object zien', namelijk in GEODE's.
GEODE's werden voor het eerst voorgesteld als een idee in de jaren zestig, maar de wiskunde die ze ondersteunt, is pas onlangs uitgewerkt. Maar het blijkt dat deze rare objecten ook een eenvoudige verklaring kunnen zijn voor waargenomen grote fusies van zwarte gaten. In 2016 kondigden leden van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) -Virgo-samenwerking aan dat ze de allereerste waarnemingen van een fusie van zwart gaten hadden, maar de berekende massa's van de veronderstelde zwarte gaten waren onverwacht - wetenschappers verwachtten dat de massa's veel hoger of lager.
Maar GEODE's worden, in tegenstelling tot traditionele zwarte gaten, in de loop van de tijd zwaarder. Als twee GEODE's die zich in het jongere universum hadden gevormd, uiteindelijk tegen elkaar zouden botsen, zouden ze tegen de tijd dat ze in botsing waren gekomen groter zijn dan de typische zwarte gaten. Op dat moment zouden de massa's van de GEODE's overeenkomen met de massa's die zijn waargenomen bij de botsing waargenomen door LIGO-Virgo. In plaats van een zeer specifieke situatie te moeten bedenken die tot de fusie heeft geleid, zouden GEODE's een eenvoudiger oplossing kunnen bieden om de observaties uit te leggen.
Maar niet alle wetenschappers zijn overtuigd. De nieuwe beschrijving van deze objecten is "contra-intuïtief en moeilijk te verteren", vertelde Vitor Cardoso, hoogleraar natuurkunde aan het Instituto Superior Técnico in Lissabon, Portugal, die niet betrokken was bij de studie, WordsSideKick.com in een e-mail. Maar, voegde hij eraan toe: 'Ik vind het een goed idee om alternatieven voor zwarte gaten te vinden - het dwingt ons het paradigma van zwarte gaten te versterken. Soms is het ook moeilijk om dingen te vinden als we er niet naar zoeken.'
