Het actieoppervlak van zwarte gaten neemt niet af in de tijd. Een nieuwe analyse van zwaartekrachtgolven bevestigt de ontdekking uit 2015.
Het actieoppervlak van een zwart gat, waarin materie en straling worden gezogen, kan in de loop van de tijd niet kleiner worden. Dit is de theorie van Stephen Hawking, die een nieuwe MIT studie zojuist heeft bevestigd. De analyse werd uitgevoerd door de gravitatiegolven te bestuderen die 1,3 miljard jaar geleden werden geproduceerd door twee reusachtige zwarte gaten die in een spiraal om elkaar heen draaiden, en werd gepubliceerd in Physical Review D. De studie is gebaseerd op de resultaten van een studie van het MIT. Het zou echter een paradox blijven vergeleken met een andere theorie die voorspelt dat een zwart gat op de lange duur zal krimpen tot het punt van verdamping.
De theorie van Stephen Hawking over zwarte gaten
In 1971 had Hawking uit Einsteins algemene relativiteitstheorie de stelling afgeleid dat de oppervlakte van een zwart gat in de loop van de tijd niet afneemt. Voor natuurkundigen zou deze regel nauw verwant zijn met de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat de tijd in een bepaalde richting stroomt, d.w.z. dat de entropie, of wanorde, van een gesloten systeem altijd moet toenemen. Aangezien de entropie van een zwart gat evenredig is met zijn oppervlakte, moeten beide voortdurend toenemen.
De nieuwe studie die Hawkings theorie bevestigt
Volgens het nieuwe onderzoek lijkt de bevestiging door de onderzoekers van de oppervlaktewet te impliceren dat de eigenschappen van zwarte gaten belangrijke aanwijzingen zijn voor de verborgen wetten die het heelal beheersen. Vreemd genoeg lijkt de oppervlaktewet in tegenspraak te zijn met een andere stelling van de beroemde natuurkundige: dat zwarte gaten op een extreem lange tijdschaal moeten verdampen. De volgende stap zou daarom zijn om de bron van de tegenstrijdigheid tussen de twee theorieën te begrijpen, een resultaat dat nieuwe fysica aan het licht zou kunnen brengen.
Het oppervlak van een zwart gat wordt bepaald door een bolvormige grens die bekend staat als de waarnemingshorizon: voorbij dit punt kan niets, zelfs licht niet, ontsnappen aan de krachtige zwaartekracht. Volgens Hawking’s interpretatie van de algemene relativiteit neemt het oppervlak van een zwart gat toe met zijn massa, en kan geen enkel voorwerp dat erin wordt gelanceerd ontsnappen, zodat het oppervlak niet kan afnemen. Maar het oppervlak van een zwart gat krimpt wanneer het roteert, dus vroegen de onderzoekers zich af of het mogelijk zou zijn om een voorwerp er krachtig genoeg in te lanceren om het zwarte gat te laten roteren zodat het oppervlak krimpt.
Om deze theorie te testen, analyseerden de onderzoekers gravitatiegolven, of rimpelingen in het weefsel van ruimtetijd, die 1,3 miljard jaar geleden werden veroorzaakt door twee grote zwarte gaten toen ze met hoge snelheid in een spiraal naar elkaar toe draaiden. Dit waren de eerste golven die ooit in 2015 zijn gedetecteerd door het Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), een laserstraal die in twee paden van vier kilometer lang is verdeeld en in staat is de geringste vervormingen in de ruimtetijd te detecteren. Door het signaal in twee helften te verdelen, voor en na de samensmelting van de zwarte gaten, berekenden de onderzoekers de massa en de spin van zowel het oorspronkelijke als het gecombineerde zwarte gat. Aan de hand van deze getallen konden zij de oppervlakte van elk zwart gat voor en na de botsing berekenen.
De oppervlakte van het nieuw ontstane zwarte gat was groter dan die van de eerste twee, waarmee de oppervlaktewet van Hawking voor 95 procent werd bevestigd. Volgens de onderzoekers komen hun resultaten vrij goed overeen met wat zij verwachtten te vinden. Het echte mysterie blijft de integratie van algemene relativiteit met kwantummechanica. Dat komt omdat zwarte gaten volgens de algemene relativiteit niet kunnen krimpen, maar volgens de kwantummechanica wel. Achter de oppervlaktewet had de Britse natuurkundige ook een concept ontwikkeld dat bekend staat als Hawkingstraling, waarbij een nevel van deeltjes wordt uitgestoten aan de randen van zwarte gaten door vreemde kwantumeffecten. Dit verschijnsel zorgt ervoor dat zwarte gaten krimpen en uiteindelijk, over een periode die vele malen langer is dan de leeftijd van het heelal, verdampen. Deze verdamping kan over een dusdanig lange periode plaatsvinden dat het niet in strijd is met de korte termijn gebiedswet.
In de tussentijd heeft een Japanse studie een storm van zwarte gaten geanalyseerd die mogelijk iets kan verklaren over het ontstaan van het sterrenstelsel.
Stefania Bernardini